松散污染物霧化固定模擬試驗研究

郭麗瀟 武明亮 張文俊 張曉文 王旭東

（中國輻射防護研究院 太原 030006）

松散污染物霧化固定模擬試驗研究

郭麗瀟 武明亮 張文俊 張曉文 王旭東

（中國輻射防護研究院 太原 030006）

針對核工業(yè)廠房內(nèi)的放射性松散污染物，運用超聲霧化技術(shù)，將固定劑在無人員進入的情況下通入模擬設(shè)備室的試驗間，采用碳酸鈣粉末作為模擬物，模擬松散污染物并進行固定試驗。使用風機沿平行地面方向?qū)潭ê蟮乃缮⑽廴疚镞M行擾動，考察不同松散污染物沉積量和不同固定劑用量對擾動后再懸浮因子的影響和擾動前后氣溶膠粒徑分布的變化。結(jié)果表明，擾動后，再懸浮因子隨著松散污染物沉積量增大；提高固定劑通入量可增強固定效果，有效降低再懸浮因子；達到一定量后，繼續(xù)增加固定劑通入量作用微小。對該模擬粉塵，每1 mg·cm-2的松散污染物需要通入0.57 kg·m-2的固定劑。根據(jù)松散污染物量，使用適量的固定劑進行霧化固定，可以有效固定松散污染物，顯著降低松散污染物的再懸浮因子，降低工作人員受照的風險。

輻射防護，松散污染物，固定，霧化，再懸浮因子

我國核工業(yè)工廠因多年的放射性操作，設(shè)備室及廠房地面積存較多的放射性松散污染物。在去污或退役過程中，由于工作人員或設(shè)備的進入，對地面積存的放射性粉塵形成擾動，導致大量小粒徑放射性粉塵在空氣中形成類似氣溶膠的懸浮物質(zhì)[1]，進而引發(fā)潛在的內(nèi)照射危險。為了保證退役去污工作人員的人身安全，對于有較多松散污染物的廠房或設(shè)備室要進行預固定，抑制松散污染物懸浮。傳統(tǒng)方法中的噴涂油漆、可剝離涂料等表面松散污染固定技術(shù)，對作業(yè)環(huán)境中的氣溶膠有較好地抑制作用[2-4]，但需要作業(yè)人員直接進入污染區(qū)域進行工作，且對污染表面擾動幅度很大，工作人員有可能受到高品位內(nèi)照射。本試驗中采用3 m3密閉試驗間進行熱室、房間、設(shè)備室的模擬，以碳酸鈣粉塵為松散污染物模擬粉塵，建立試驗模擬系統(tǒng)。旨在為該工藝技術(shù)的現(xiàn)場實用提供技術(shù)支持與依據(jù)，以期早日實現(xiàn)現(xiàn)場驗證，保障退役去污工作人員的安全。

1 模擬試驗設(shè)計

1.1 試驗流程

采用超聲霧化技術(shù)[5-7]，將一定配方比例的固定劑進行霧化，產(chǎn)生小粒徑霧滴。在無人員進入的條件下輸送至目標處理區(qū)域，一定時間后霧滴沉降并粘附于地面、墻壁等附著面，在松散污染物表面形成固定，防止其在擾動條件下懸浮，進而達到降低再懸浮因子的目的。同時，霧滴沉降也能對空氣中現(xiàn)有的氣溶膠起到了捕集作用。圖1為試驗流程圖。

設(shè)備室氣溶膠粒子粒徑0.2-2 μm，地面松散污染物有氣溶膠內(nèi)粒子沉降后形成。精細碳酸鈣粉塵具有類似粒徑分布，且不溶解于水，所以采用碳酸鈣粉塵模擬松散污染物。使用BEG-1000氣溶膠發(fā)生器，將模擬松散污染物的碳酸鈣粉塵均勻發(fā)入試驗間內(nèi)部，粉塵沉降后沉積在試驗間地面和側(cè)面，模擬松散污染物的形成。將一定比例的固定劑預熱后裝入霧化發(fā)生裝置，通過超聲霧化，將固定劑霧化并通入試驗間。固定劑通入后將空氣中殘留氣溶膠進行捕集，并沉降于松散污染物表面，對松散污染物形成固定。24 h后使用風機對試驗間內(nèi)底部松散污染物進行擾動，模擬工作人員工作狀態(tài)。使用氣溶膠采樣泵定量采集擾動后的空氣樣品60 L，粉塵截留于采樣膜上，取樣效率可達99.97%。樣膜通過化學分析，得到該工藝對松散污染物預固定的效果。使用Welas-2000 digital 粒徑譜儀對模擬試驗間內(nèi)擾動前后空氣氣溶膠進行測量。

圖1 松散污染物預固定模擬試驗流程示意圖Fig.1 The flow chart of loose contamination pre-fixed simulation text

1.2 材料與裝置

采用3 m3有機玻璃試驗間模擬試驗環(huán)境；霧化發(fā)生裝置（自制）包含100個不同超聲頻率霧化頭，霧化能力為2-4 kg·h-1；Welas-2000 digital 粒徑譜儀，德國Palas公司，測量范圍0.3-10 μm；BEG-1000氣溶膠發(fā)生裝置，德國Palas公司；ZL-2006移動式氣溶膠取樣裝置；UV-1801紫外/可見分光光度計，北京瑞利分析儀器有限公司。固定劑（由去離子水、多糖、醇和表面活性劑組成）；精細碳酸鈣粉塵。

2 結(jié)果與討論

2.1 松散污染物模擬與粒徑分布

通過BEG-1000氣溶膠發(fā)生裝置將烘干冷卻除靜電后的精細碳酸鈣粉塵通過氣溶膠分布器，均勻分布于試驗間內(nèi)形成氣溶膠。24 h后粉塵沉積在模擬試驗間內(nèi)地面與側(cè)面形成松散污染物。通過空氣動力學粒徑譜儀測定形成松散污染物的粉塵粒徑分布，如圖2所示。

圖2 模擬粉塵粒徑分布Fig.2 Simulation of dust particle size distribution

2.2 固定劑超聲霧化

使用自行設(shè)計開發(fā)的超聲波霧化發(fā)生裝置，采用1.7 MHz的超聲頻率，對一定量的固定劑進行超聲霧化，霧化能力為2.7 kg·h-1。霧化后霧滴眾數(shù)粒徑為1.3 μm，將霧化后的固定劑霧滴用送風設(shè)備通入模擬試驗間。固定劑霧滴充滿試驗間后，通過凝并作用降落到試驗間地面。固定劑沉降過程中對空氣中現(xiàn)有的氣溶膠形成了捕集，并沉降于試驗間底面松散污染物表面，起到抑制松散污染物再懸浮的作用，整個沉降過程約1 h。圖3為固定劑通入后，不同時間的粒徑分布圖。

圖3 不同時間固定劑粒徑分布圖Fig.3 Particle size distribution of fixative at different time

2.3 松散污染物固定試驗

通過松散污染物模擬固定試驗，在松散污染物為1.23 mg·cm-2的條件下，使用風機對松散污染物進行擾動模擬，擾動地表風速2 m·s-1，擾動結(jié)束時保持風機運行狀態(tài)，并使用粒徑譜儀測量試驗間內(nèi)粒徑分布。對比固定劑通入前后的再懸浮氣溶膠濃度。固定劑通入量為0.8 kg·m-2。圖4和圖5分別為離地面0.5 m和1.5 m高度處松散污染物擾動前后再懸浮氣溶膠分布。

圖4 離地面0.5 m處擾動前后粒徑分布Fig.4 Particle size distribution before and after the disturbance at 0.5 m above the ground

圖5 離地面1.5 m處擾動前后粒徑分布Fig.5 Particle size distribution before and after the disturbance at 1.5 m above the ground

對比圖4和圖5可知：固定劑對松散污染物具有良好的固定效果，可大大降低松散污染物擾動后的再懸??；擾動后產(chǎn)生的氣溶膠濃度與離地高度有關(guān)，高度越高氣溶膠濃度越低。

2.4 松散污染物量對固定效果的影響

通過調(diào)整模擬粉塵發(fā)生時間，以改變試驗間地面粉塵沉積量，使用霧化發(fā)生裝置霧化并通入固定劑，固定劑通入量為0.6 kg·m-2。固定24 h后使用風機對松散污染物進行擾動，通過對擾動后試驗間氣溶膠濃度進行采樣分析，得到松散污染物量對霧化固定效果的影響。采用再懸浮因子作為評價固定效果的參數(shù)。

圖6為固定劑通入量相同的條件下再懸浮因子隨松散污染物沉積量的變化曲線。根據(jù)圖6可知，隨著試驗間地面松散污染物沉積量的增加，經(jīng)擾動后再懸浮因子逐漸增大；再懸浮因子增漲幅度隨沉積量的增加而增大。

在風機擾動15 min時，采用Welas-2000 digital粒徑譜儀測定試驗間再懸浮的粒子數(shù)濃度及粒徑分布。圖7為試驗間松散污染物經(jīng)風機擾動后離地面1.5 m高度處氣溶膠粒徑分布曲線。

圖6 再懸浮因子隨松散污染物物沉積量變化曲線Fig.6 Curve of re-suspension factor with loose contamination of different mass density

圖7 不同沉積量擾動后再懸浮污染物粒徑分布曲線Fig.7 Particle size distribution curves after disturbance with loose contamination of different mass density

由圖7可知，在固定劑通入量相同的條件下，隨著松散污染物量的增加，固定劑的固定效果明顯變差，大量模擬粉塵粒子在擾動后進入空氣中形成氣溶膠。當松散污染物超過一定量時需要通過增加固定劑通入量而加強固定效果。

2.5 固定劑通入量對固定效果的影響

在一定的松散污染物沉積量條件下，少量的固定劑不能對松散污染物產(chǎn)生有效的固定效果，而過量的固定劑通入量不僅增加了霧化固定需要的時間，也增加了二次廢物的產(chǎn)生量。在一定松散污染物沉積量條件下，進行不同固定劑通入量試驗，得到固定劑通入量與再懸浮因子的關(guān)系曲線（圖8）。

圖8 再懸浮因子與霧化量關(guān)系曲線Fig.8 Curves of re-suspended factor and mass density of fixative

由圖8可知：固定劑對松散污染物的固定效果隨固定劑的通入量增加而增大；固定效果的提升隨著固定劑的增加而出現(xiàn)拐點，拐點后繼續(xù)增加固定劑通入量對固定效果提升不明顯。松散污染物量越大，達到同樣的固定效果需要的固定劑越多。以該模擬粉塵試驗結(jié)果，每1 mg·cm-2的松散污染物需要至少通入0.57 kg·m-2的固定劑。

3 結(jié)論

超聲霧化固定技術(shù)可以對模擬試驗間中松散污染物進行固定，顯著降低松散污染物在被擾動后的再懸浮因子，起到固定松散污染物的作用。隨著試驗間地面松散污染物量的增加，經(jīng)擾動后再懸浮因子逐漸增大，并且增大幅度隨著松散污染物量的增加而增大。松散污染物固定效果與松散污染物量和固定劑通入量都有關(guān)系，實踐中，在保證松散污染物固定效果同時盡量減少二次廢物的產(chǎn)生。本研究中，合理的固定劑通入量為1 mg·cm-2的松散污染物，通入0.57 kg·m-2的固定劑。本松散污染物模擬試驗驗證了霧化固定技術(shù)的可行性，并為進一步核設(shè)施退役現(xiàn)場應用提供了實驗依據(jù)。

1 盧正永, 傅木森, 梁鴻富, 等. 核工業(yè)部分生產(chǎn)場所的放射性氣溶膠粒度分布 [J]. 輻射防護, 1991, 11(3): 193-200. LU Zhengyong, FU Musen, LIANG Hongfu, et al. Particle size distribution of radioactive aerosols in some workplace of nuclear industry [J]. Radiation Protection, 1991, 11(3): 193-200.

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Experimental study on encapsulating the loose contamination by atomizing process

GUO Lixiao WU Mingliang ZHANG Wenjun ZHANG Xiaowen WANG Xudong
(China Institute for Radiation Protection, Taiyuan 030006, China)

The ultrasonic atomizing technique was used to add fixative to the analog device without human intervention. The simulation experiment on loose contamination was conducted by choosing the calcium carbonate powder as analog solid agent. And then, the encapsulated loose contamination was disturbed by fan along the direction parallel to ground to investigate the amount of loose contamination as well as the fixative vs. the re-suspension factor and particle size distribution. The results showed that the loose contamination deposited amount had a positive correlation on the re-suspension factor. The re-suspension factor decreased with the increasing amounts of fixative. When reaching a certain value, the effects were tiny by increasing the amount of fixative. For 1mg·cm-2calcium carbonate powder, 0.57 kg·m-2fixative was necessary. According to the amount of loose contamination, an appropriate amount of fixing agent can effectively fix the loose contaminants and significantly reduce the re-suspension factor, which can reduce workers' exposure risk to radiation.

Radiation protection, Loose contamination, Encapsulating, Atomizing, Re-suspension factor

TL71DOI: 10.11889/j.1000-3436.2014.rrj.32.040601

郭麗瀟，男，1988年9月出生，2010年畢業(yè)于西安交通大學，化學工程與工藝專業(yè)，于中國輻射防護研究三廢治理研究所工作，E-mail: glxxy0303@163.com

武明亮，碩士，高級工程師，E-mail: Wumigl@163.com

初稿2014-02-17；修回2014-04-24

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