地下建筑內(nèi)氡分布與去除技術(shù)研究進(jìn)展

呂功煊，甄文龍，寧曉峰

（中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所，羰基合成與選擇氧化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000）

氡（Radon, Rn）是由放射性元素鐳衰變產(chǎn)生的惰性氣體，無色、無味、無嗅、有放射性，是人體所受天然輻射的重要污染源，占人體所受總輻射劑量的42%.一般認(rèn)為，氡是繼吸煙之后誘發(fā)肺癌最重要的原因，已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織確定為19 種主要環(huán)境致癌物之一[1-2].一些建筑和裝修材料（如水泥、砂巖、花崗巖、石膏及瓷磚等）都會(huì)釋放一定量的氡，地基下的氡還會(huì)通過地板、墻壁或地基的裂縫擴(kuò)散進(jìn)入住宅中，并在室內(nèi)聚集，也可從土壤、地下水、各種管道釋放出來進(jìn)入室內(nèi).氡在戶外濃度極低，而在氣流交換不暢的地下密閉空間中，如地下坑道、地鐵、礦井、國防工程和地下實(shí)驗(yàn)室等，就會(huì)積聚起來，達(dá)到比較高的濃度，進(jìn)而增加肺癌的發(fā)病率[3].對(duì)于需要長期滯留在這樣密閉空間的人員，應(yīng)關(guān)注室內(nèi)氡的水平，并開發(fā)出更為有效的防氡滲漏入室內(nèi)和去除室內(nèi)氡污染的技術(shù)[4-8].

1 氡的形成與危害

如圖1 所示，氡有三種同位素，219Rn、220Rn 和222Rn，都具有放射性，其中219Rn 的半衰期（3.96 s）和220Rn 的半衰期（55.6 s）都很短，通常不會(huì)對(duì)人體造成危害，222Rn 的半衰期較長（3.83 d），容易在密閉環(huán)境中積累而達(dá)到較高的濃度.222Rn 本身具有放射性，會(huì)發(fā)生α 衰變，產(chǎn)生一系列衰變子體，如218Po（3.05 min）、214Pb（26.8 min）、214Bi（19.7 min）、214Po（160 μs）和210Pb（22 a）[9].氡及子體粒子因放射性會(huì)在空氣中形成放射性氣溶膠，當(dāng)這些氣溶膠被人體吸入后，便會(huì)沉積在氣管、支氣管等部位，并會(huì)不斷發(fā)射出能量很高的α 粒子，破壞細(xì)胞DNA，使肺細(xì)胞受損，從而誘發(fā)肺癌.氡還具有較強(qiáng)的親脂性，沉積在身體中的一些重要部位，如造成神經(jīng)系統(tǒng)的損害[10-12].我國已經(jīng)制定了室內(nèi)氡濃度的控制國家標(biāo)準(zhǔn)，住宅中氡濃度應(yīng)低于100 Bq/m3，而歐盟最新制定標(biāo)準(zhǔn)是室內(nèi)氡濃度不高于50 Bq/m3，預(yù)計(jì)我國也將會(huì)調(diào)整室內(nèi)氡的指標(biāo)，參照國際標(biāo)準(zhǔn)修改[13-19].

圖1 形成氡的天然放射系簡(jiǎn)化衰變圖（括號(hào)內(nèi)為α 粒子能量，單位MeV）[9]Fig.1 Simplified decay diagram of natural radiation systems that form Radon (In parentheses: α Particle energy, in MeV,with the exponent in parentheses indicating the branching ratio)[9]

2 氡暴露致肺癌病例

文獻(xiàn)曾對(duì)室內(nèi)氡暴露導(dǎo)致的肺癌病例進(jìn)行過統(tǒng)計(jì)，在一些國家，由氡誘發(fā)肺癌的病例占比很高.以亞美尼亞為例，氡引發(fā)的肺癌占該國所有肺癌病例的29%（圖2），而在日本和荷蘭的病例占比則比較低，約為4%，其它的一些國家接近10%～15%，如俄羅斯為15%、加拿大為13%、韓國為12.5%、美國為11%[13,20-25].我國每年約有5 萬例肺癌病例是由室內(nèi)氡輻射引起，占所有肺癌患者的14%[23-24].王作元等提出我國的氡污染所引起肺癌的危險(xiǎn)度指數(shù)為0.19，這意味著室內(nèi)空氣中的氡濃度每增加100 Bq/m3，人患肺癌的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)相應(yīng)增加19%[26].根據(jù)我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部公開的室內(nèi)氡調(diào)查結(jié)果，我國住房室內(nèi)氡濃度超過100 Bq/m3的比例約為6.5%，超過200 Bq/m3的比例約為1.0%，這個(gè)比例近年來有逐漸增加的趨勢(shì)，原因與建筑混凝土使用再生料比例升高有關(guān)[27].

圖2 不同國家因長期氡暴露引起肺癌患者的占比Fig.2 Proportion of lung cancer patients caused by longterm Radon exposure in different countries

地下建筑是室內(nèi)封閉環(huán)境，大多通風(fēng)條件有限，地下巖石、土壤和水源釋放滲出的氡再加上地下建筑物所使用的建材中釋放的氡，使得許多長期工作在地下倉庫、地下工程設(shè)施中的人員持續(xù)暴露在高氡濃度的環(huán)境中，誘發(fā)了比較嚴(yán)重的職業(yè)病，影響了地下工作人員的身體健康與安全[28-29].所以，詳細(xì)研究地下建筑內(nèi)氡濃度水平與分布特征，對(duì)于發(fā)展新的氡防護(hù)措施具有重要意義.

3 部分地下建筑內(nèi)氡濃度的現(xiàn)狀

3.1 地鐵

地鐵站中的氡主要來源于基巖、土壤和建筑材料的釋放，不同城市、不同站點(diǎn)氡的水平和分布狀況有較大差異[30].國外曾開展了地鐵站內(nèi)環(huán)境中氡濃度的調(diào)查[31-34]，首爾、大田、慕尼黑、赫爾辛基、東京、開羅等城市地鐵中氡水平監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1 所列，部分區(qū)域氡濃度比較高，遠(yuǎn)超限制值，接近460.0 Bq/m3，平均值為78.2 Bq/m3.

表1 國外城市地鐵站空氣環(huán)境中氡濃度水平Table 1 Radon concentration levels in air environment of subway stations in foreign cities

表2 列出了北京、上海、天津、深圳、香港等城市地鐵站內(nèi)氡濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果[35-43]，上海和南京地鐵站氡濃度較低，而烏魯木齊與西安地鐵氡濃度較高，這可能與地鐵建造地基、巖石、土壤、使用材料有關(guān).這12 個(gè)代表性城市的地鐵站空氣環(huán)境中氡濃度分布范圍是1.2～166.5 Bq/m3，平均值為25.8 Bq/m3，大部分符合《地下建筑氡及其子體控制標(biāo)準(zhǔn)》國家標(biāo)準(zhǔn)的限制要求.

表2 國內(nèi)城市地鐵站空氣環(huán)境中氡濃度水平Table 2 Radon concentration levels in air environment of domestic urban subway stations

3.2 地下建筑工程

地下洞庫、倉庫、隧道等工程也是氡濃度水平較高的區(qū)域，這些地點(diǎn)通常結(jié)構(gòu)密閉、通風(fēng)不暢[44-46].滯留其中的人員有可能長期暴露于較高的氡環(huán)境中.曾曄等[47]曾對(duì)某地兩條地下坑道中（1 號(hào)坑道和2 號(hào)坑道）的氡濃度水平進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果如表3、4 所列.由表3 可知，1 號(hào)坑道在2014～2016 年間氡濃度極值達(dá)到了4 434.2 Bq/m3，2014～2016 年連續(xù)3 年氡濃度檢測(cè)年平均值都超過了1 000 Bq/m3，2016 年年均值為2 181.2 Bq/m3.如此高的氡濃度水平和坑道施工中未開啟通風(fēng)系統(tǒng)，導(dǎo)致坑道內(nèi)通風(fēng)不足，同時(shí)在施工過程中造成了許多地面裂縫，也加速了氡氣泄漏擴(kuò)散.而1 號(hào)坑道內(nèi)在2017 年增添通風(fēng)裝置后，氡濃度水平分別下降了78.1%和87.7%，表明通風(fēng)是有效的地下坑道氡濃度降低的手段.

表3 某地下1 號(hào)坑道2014～2017 年工作區(qū)氡濃度水平測(cè)量結(jié)果[47]Table 3 Measured results of Radon concentration levels in working area of tunnel 1 from 2014 to 2017[47]/(Bq/m3)

相比1 號(hào)坑道，2 號(hào)坑道為新建坑道.開工時(shí)就非常重視通風(fēng)條件、環(huán)境控制與坑道內(nèi)壁涂覆去除氡的工作，氡濃度水平下降明顯.如表4 所列，在2015～2017 年氡濃度極值只達(dá)到1 336.0 Bq/m3，整體低于1 號(hào)地下坑道氡濃度水平.但其平均值也超過地下建筑氡水平控制標(biāo)準(zhǔn).

表4 某地下2 號(hào)坑道2015～2017 年工作區(qū)氡濃度水平測(cè)量結(jié)果[47]Table 4 Measured results of Radon concentration levels in working area of tunnel 2 from 2015 to 2017[47]/(Bq/m3)

3.3 礦井

調(diào)查結(jié)果顯示，大多數(shù)礦井內(nèi)空氣中氡的濃度遠(yuǎn)高于地面數(shù)值[48-49].李秀蘭等[50]曾報(bào)道了山西省某鐵礦井下氡濃度水平（如表5 所列），6 個(gè)礦井中氡濃度均值為(3 778±1 128) Bq/m3，極值達(dá)到(5 121±3 357) Bq/m3，其中6 號(hào)礦井氡濃度較高.工作面的氡濃度高達(dá)到(4 477±2 666) Bq/m3，運(yùn)輸巷、井下工作房和回風(fēng)口處的氡濃度分別為4 290、3 496 和3 702 Bq/m3，其均值為(3 622±920) Bq/m3，這與礦井下的地址條件、通風(fēng)率不足有關(guān).

表5 不同礦井下氡濃度水平以及礦井不同工作場(chǎng)所氡濃度水平[50]Table 5 Radon concentration levels in different mines and workplaces[50]/(Bq/m3)

張德華等[51]曾調(diào)研了某地下的鈾礦井內(nèi)氡濃度，發(fā)現(xiàn)氡濃度水平與監(jiān)測(cè)點(diǎn)距地面高度成反比，氡濃度的極值為2 700 Bq/m3[圖3（a）].孫璐[52]調(diào)研了某錫礦井內(nèi)氡濃度與季節(jié)之間的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在夏季（6 月）和秋季（9 月）礦井內(nèi)氡濃度水平較高，平均值分別為9 491 和9 366 Bq/m3，而在春季和冬季氡濃度水平較低[圖3（b）]，說明礦井內(nèi)氡濃度水平與環(huán)境溫度有密切關(guān)系.當(dāng)井內(nèi)壁溫度增加時(shí)，氡在地下滲流的速率升高，擴(kuò)散系數(shù)變大，氡析出速率增大.

圖3 （a）鈾礦井中車場(chǎng)、主巷、風(fēng)管支巷等距離地面不同高度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)氡濃度均值變化示意圖[51]，（b）錫礦井內(nèi)在4、6、9 及12 月空氣中氡濃度[52]Fig.3 (a) Schematic diagram of average variation of Radon concentration at monitoring points at different heights from ground, such as parking lots, main alleys, and air duct branches in uranium mines[51], (b) Radon concentration in air of tin mines in April, June, September, and December[52]

3.4 國防工程

國防工程一般建造于地下，因需要具備較好的整體防護(hù)、隱蔽和偽裝能力，因而不適于配置大通量通風(fēng)設(shè)備，主要依靠內(nèi)部空氣凈化設(shè)備實(shí)現(xiàn)空間中空氣質(zhì)量的控制.隨之而來的問題是雖然空間中可揮發(fā)有機(jī)物（VOC）、氨類化合物的濃度可以保持在較低的水平，但是氡等化學(xué)惰性的有害氣體反而會(huì)聚集[53].調(diào)研結(jié)果顯示，在同樣地質(zhì)條件下國防工程內(nèi)部環(huán)境中的氡污染要比地面民用建筑室內(nèi)嚴(yán)重（約是地面建筑氡濃度的1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)）[54-55].金曉公[56]調(diào)研了我國南方某3 個(gè)國防工程內(nèi)部環(huán)境中氡濃度分布情況（如表6 所列），國防工程01 氡濃度范圍是607～660 Bq/m3（均值634 Bq/m3），國防工程02 氡 濃 度 范 圍 是847～899 Bq/m3（均 值874 Bq/m3），國防工程03 氡濃度范圍是448～485 Bq/m3（均值469 Bq/m3），均超出規(guī)定的控制標(biāo)準(zhǔn).

表6 南方某3 個(gè)國防工程內(nèi)部環(huán)境中氡濃度[56]Table 6 Radon concentration in internal environment of three national defense projects in South[56]

圖4 展示了其它12 個(gè)國防工程中氡濃度的監(jiān)測(cè)濃度，氡濃度范圍是39～17 169 Bq/m3，均值雖為2 702 Bq/m3，但是極值相當(dāng)高.除6 和12 號(hào)國防工程外，其余國防工程內(nèi)部環(huán)境中氡污染十分嚴(yán)重[57].2007～2008 年，某工程科研設(shè)計(jì)所對(duì)一擬改擴(kuò)建工程區(qū)域進(jìn)行了為期一年的氡濃度跟蹤檢測(cè)（實(shí)測(cè)347 d），氡濃度范圍為62.9～9 475.7 Bq/m3，均值為2 055 Bq/m3，其中氡濃度高于400 Bq/m3的占254 d，超標(biāo)的天數(shù)占總測(cè)試天數(shù)的73.2%.2009～2010 年該所又對(duì)該工程的內(nèi)部環(huán)境的氡濃度進(jìn)行多次測(cè)量，其超標(biāo)的狀況仍未改變.

圖4 部分國防工程中氡污染實(shí)測(cè)現(xiàn)狀圖[57]Fig.4 Actual measurement status of Radon pollution in some national defense projects[57]

3.5 地下實(shí)驗(yàn)室

筆者對(duì)某研究所地下負(fù)一層的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中氡濃度水平進(jìn)行了5 個(gè)月的跟蹤監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖5、6 所示.檢測(cè)結(jié)果顯示，庫房前門口（監(jiān)測(cè)點(diǎn)①）和庫房內(nèi)部（監(jiān)測(cè)點(diǎn)②）的氡濃度分布范圍分別是66～482 Bq/m3和76～436 Bq/m3，庫房外過道（監(jiān)測(cè)點(diǎn)③）與實(shí)驗(yàn)室外過道（監(jiān)測(cè)點(diǎn)④）的氡濃度分布范圍分別是28～427 Bq/m3和11～205 Bq/m3.氡濃度變化趨勢(shì)表明大部分氡來源于庫房內(nèi)部，是通過擴(kuò)散經(jīng)過道轉(zhuǎn)移至實(shí)驗(yàn)室側(cè)的，且超標(biāo)情況相當(dāng)嚴(yán)重.

圖5 （a）地下實(shí)驗(yàn)室不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)氡濃度分布范圍，（b）監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布平面圖（①庫房前門口附近，②庫房內(nèi)部，③庫房外過道，④實(shí)驗(yàn)室外過道，⑤變壓吸附器附近，⑥變壓吸附器A 口，⑦變壓吸附器B 口）Fig.5 (a) Distribution range of Radon concentration at different monitoring points in underground laboratory,(b) monitoring points (①near front entrance of warehouse, ②inside warehouse, ③outside corridor of warehouse, ④outside laboratory, ⑤near pressure swing adsorption equipment, ⑥outlet A and ⑦outlet B)

該實(shí)驗(yàn)室氡濃度變化也表現(xiàn)出季節(jié)的差異性.如圖6 所示，冬季（12 月、1 月）和春季（2 月、3 月、4 月）監(jiān)測(cè)期間，氡濃度的分布范圍是86～309 Bq/m3和76～384 Bq/m3，在5 月氡濃度的分布范圍是253～436 Bq/m3.隨環(huán)境溫度的上升，氡濃度逐漸呈上升趨勢(shì)，顯然環(huán)境溫度上升加快了地下氡的擴(kuò)散析出.整體上看，地下實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中氡污染比較嚴(yán)重，氡濃度超標(biāo)天數(shù)較多.

圖6 某研究所地下實(shí)驗(yàn)室的氡濃度分布情況（監(jiān)測(cè)點(diǎn)②）Fig.6 Distribution of Radon concentration in underground laboratory of a certain research institute(monitoring point ②)

為有效降低地下環(huán)境中氡濃度水平，筆者借助自制的氡富集去除分離器對(duì)負(fù)一層實(shí)驗(yàn)室氡進(jìn)行了分離富集和去除試驗(yàn)，結(jié)果如圖5（a）所示.當(dāng)環(huán)境本底氡（吸附器附近測(cè)試點(diǎn)⑤）的極值為372 Bq/m3時(shí)，富集分離器出口（測(cè)試點(diǎn)⑥和⑦）的氡濃度可達(dá)到409 和535 Bq/m3，顯示出較好的氡去除能力.

3.6 其他建筑

除上述氡水平調(diào)研外，筆者也跟蹤監(jiān)測(cè)了某基地和一些景點(diǎn)室內(nèi)的氡分布水平，結(jié)果如表7 所列.某基地氡濃度分布范圍是39～313 Bq/m3，某石窟內(nèi)氡濃度是13～237 Bq/m3，均高于氡標(biāo)準(zhǔn)閾值.某博物院I 環(huán)境中氡水平極值為644 Bq/m3，是博物院II 環(huán)境氡濃度極值的12 倍.在某博物館III 和某博覽園中，氡濃度的整體水平較低，上限值為100 Bq/m3左右.陵墓展館I 和II 的氡范圍分別是18～135 和19～73 Bq/m3，基本不會(huì)對(duì)參觀公眾身體健康造成傷害.總的來說，上述代表性景點(diǎn)與訓(xùn)練基地內(nèi)氡濃度水平有明顯不同，且變化較大.為了降低環(huán)境中氡對(duì)人們輻射，應(yīng)將不同環(huán)境氡分布數(shù)據(jù)庫告知于眾，同時(shí)必須發(fā)展出一些高效降氡、除氡的新技術(shù).

表7 我國某基地與部分景點(diǎn)環(huán)境氡水平Table 7 Environmental Radon levels in a training base and some scenic spots in China

4 氡的防護(hù)、降低和去除措施研究趨勢(shì)

4.1 通風(fēng)降氡

通風(fēng)是最直接、最有效的降氡和氡去除方式，借助通風(fēng)系統(tǒng)將地面新鮮空氣輸送至地下建筑內(nèi)對(duì)高含氡空氣進(jìn)行置換，可以有效降低氡空間內(nèi)的氡濃度水平[58-59].按照通風(fēng)方式不同又可分為壓入式通風(fēng)、抽出式通風(fēng)和壓抽聯(lián)合式通風(fēng)3 種，大部分地下工程通風(fēng)采用壓入式通風(fēng).溫偉偉等[60]研究了某地下工程在24 h 氡濃度隨通風(fēng)的變化趨勢(shì)，研究結(jié)果顯示，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)開啟，氡的濃度下降.通風(fēng)結(jié)束，氡濃度短暫維持在較低水平，由于空氣的擴(kuò)散對(duì)流，氡濃度會(huì)緩慢逐漸升高至1 180 Bq/m3[圖7（a）].李昆侖等[61]報(bào)道某國防坑道在通風(fēng)系統(tǒng)開啟2 h 后，氡濃度可從389.7 Bq/m3下降到167.1 Bq/m3.值得注意的是，當(dāng)通風(fēng)超過1.5 h，氡濃度不再顯著降低，這意味著延長通風(fēng)時(shí)間對(duì)降低氡濃度已無太大作用[圖7（b）].此外，對(duì)于一些地下建筑，其進(jìn)風(fēng)通道沒有覆層，裸露巖體中氡更容易隨氣體析出進(jìn)入通道內(nèi)，氡濃度甚至可累積達(dá)到數(shù)萬Bq/m3，所以在通風(fēng)前，應(yīng)先將積累在通道內(nèi)大量氡排出后再進(jìn)行通風(fēng)降氡.

圖7 （a）地下工程某點(diǎn)位24 小時(shí)空氣中氡濃度變化曲線[60]，（b）某測(cè)試點(diǎn)通風(fēng)前后的氡水平[61]Fig.7 (a) Variation curve of Radon concentration in air at a certain underground engineering site within 24 h[60], (b) Radon level before and after ventilation at a certain testing point[61]

4.2 吸附降氡

吸附降氡是利用吸附劑（如活性炭）具有高比表面積和多孔結(jié)構(gòu)的特性來吸附滯留在空氣中的氡[62]，通常氡吸附效果主要與吸附劑質(zhì)量、吸附溫度和吸附壓強(qiáng)等因素有關(guān).研究表明，吸附劑越多，其吸附和滯留氡的量也越大.降低吸附溫度或增加氣體吸附壓強(qiáng)，可提高吸附劑吸附氡的系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)快速吸附降氡[63-64].96901 部隊(duì)[60]曾研發(fā)了一種新型連續(xù)吸附降氡裝備，具體構(gòu)成如圖8 所示.當(dāng)測(cè)氡儀監(jiān)測(cè)到環(huán)境中氡濃度超過設(shè)定值時(shí)，抽氣泵能快速將室內(nèi)氣體經(jīng)預(yù)冷器傳輸至吸附炭床進(jìn)行氡吸附.當(dāng)吸附量達(dá)到某一臨界值時(shí)，電加熱裝置啟動(dòng)工作進(jìn)行吸附炭床的熱解吸，同時(shí)在真空泵輔助下產(chǎn)生負(fù)壓，快速解吸氡氣并進(jìn)入冷凝器后經(jīng)炭床吸附滯留發(fā)生衰變消除，該裝備在2 h 內(nèi)可使80 m3空間的氡濃度降低55%.

圖8 吸附裝置構(gòu)成及工作原理圖[60]Fig.8 Composition and working principle diagram of adsorption device[60]

葉茂林等[65]曾研究了具有不同比表面積的顆粒狀活性炭、球狀活性炭和柱狀活性炭對(duì)氡的吸附性能，如圖9（a）～（c）所示.結(jié)果表明，氡吸附能力與活性炭的比表面積顯著相關(guān)，比表面積較大的顆?；钚蕴靠蓪⑹覂?nèi)氡濃度降低33.18%.在圖9（d）中，選擇以單位質(zhì)量活性炭比較了氡吸附性能，結(jié)果顯示顆粒活性炭的氡吸附量最高，達(dá)到85.8 Bq/(m3·kg)，柱狀活性炭的氡吸附性能為45.8 Bq/(m3·kg)，球狀活性炭的氡吸附性能最差為30.4 Bq/(m3·kg).劉力[66]制備了比表面積為679.25 m2/g活性炭/三維石墨烯AC/3DG2（石墨烯占2‰）吸附劑，其氡的吸附系數(shù)是6.02 L/g，經(jīng)過5 次循環(huán)測(cè)試吸附氡（每次吸附15 h），吸附能力衰減14.4%[圖10（a）].活性炭/凹凸棒土AC/AT3（凹凸棒土占3%）的吸附劑比表面積為1 072.9 m2/g，對(duì)應(yīng)的氡的吸附系數(shù)是5.35 L/g，循環(huán)吸附降氡5 次后，吸附量為初始的92.7%[圖10（b）].衰減可能是因?yàn)槲絼┍砻骐蔽轿稽c(diǎn)被衰變的氡子體（金屬元素）占據(jù)，吸附效率逐漸降低.總體上看，吸附劑的使用壽命分別為17.3 和34.2 d，氡去除僅靠吸附方法仍較困難.

圖9 (a)顆粒狀、(b)球狀、(c)柱狀活性炭除氡的濃度與時(shí)間變化關(guān)系，(d)不同形狀活性炭的氡吸附量對(duì)比[65]Fig.9 Concentration versus time relationship of (a) granular, (b) spherical, and (c) columnar activated carbon for Radon removal, and (d) comparison of Radon adsorption capacity of activated carbon with different shapes[65]

圖10 （a）AC/3DG2 和（b）AC/AT3 復(fù)合材料吸附氡的循環(huán)穩(wěn)定性[66]Fig.10 Cyclic stability of (a) AC/3DG2 and (b) AC/AT3 composite materials for adsorbing Radon[66]

4.3 屏蔽降氡

屏蔽降氡主要是將某種特定材料涂覆在巖體或墻面裂縫處來阻斷巖體內(nèi)部氡向外擴(kuò)散析出[67].傳統(tǒng)的屏蔽材料是活性炭、沸石、海泡石、重晶石、硫酸鋇、石膏等，這些材料僅適用于地面建筑“堵”氡.因地下建筑環(huán)境內(nèi)濕度大、氡濃度高、密閉性好，傳統(tǒng)屏蔽材料面臨難成膜、易因氡輻射老化、生霉菌、產(chǎn)生裂紋或脫落等問題，導(dǎo)致防氡效果差[68-69].一種由聚酰亞胺樹脂、高性能氟硅功能助劑和阻氡功能材料等組成的防氡板材和防氡凝膠，具有優(yōu)異阻氡性能、耐老化性能、良好的環(huán)境相容性與穩(wěn)定性[70-71].在地下建筑降氡過程中，以板材為主體材料、凝膠作為粘接材料，實(shí)現(xiàn)板材與巖體的壁面緊密接觸，阻斷氡擴(kuò)散，可滿足高效降氡、綠色環(huán)保的工程應(yīng)用的需求.利用純丙烯酸乳液、鈦白粉和超細(xì)微二氧化硅，通過調(diào)節(jié)物料比例研制的防氡涂層材料防氡效率可達(dá)到84%[72-73].表8 展示了不同措施的防氡效果、工程量、建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)維難易度以及適用范圍[60].整體上，屏蔽降氡效果最優(yōu)，但工程量大建設(shè)費(fèi)用高.通風(fēng)降氡的效果稍低于屏蔽降氡，但其適合于特殊場(chǎng)所、大區(qū)域降氡.吸附降氡的效果較好，但建設(shè)費(fèi)用較大，運(yùn)維困難.

表8 常用的地下建筑氡防護(hù)措施效能對(duì)比[60]Table 8 Comparison of effectiveness of commonly used Radon protection measures in underground buildings[60]

4.4 變壓吸附分離-轉(zhuǎn)移降氡方法初步研究

在一些特殊場(chǎng)合中，因地下建筑內(nèi)溫度與濕度的要求，通風(fēng)降氡方法并不適用.而屏蔽降氡雖然降低了空間中氡的濃度水平，卻帶來了較大的火災(zāi)隱患和更高的VOC 濃度，真可謂“顧此失彼”.吸附降氡在短時(shí)間內(nèi)可顯著降低空間中氡水平，但是氡很快會(huì)吸附飽和，且氡衰變子體占據(jù)吸附位點(diǎn)，致使吸附劑壽命極短.筆者提出應(yīng)改變降氡去氡的策略，利用變壓吸附的手段降氡.這種技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)是可將空間中的氡連續(xù)轉(zhuǎn)移至空間外，而不需要頻繁地更換吸附劑，裝置可以連續(xù)服役較長的時(shí)間.若將該裝置與制氧裝置連用，還可以解決高原地區(qū)的空間補(bǔ)氧難題.筆者利用變壓吸附法對(duì)地下實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)氡分離富集去除進(jìn)行了研究，結(jié)果如表9 所示.當(dāng)本底氡的范圍為82～397 Bq/m3，分離器后A 出口氡的濃度范圍為6～21 Bq/m3，而B 出口氡的濃度范圍是124～439 Bq/m3，分離倍率（B/A）基本保持在14.2～25.2 范圍內(nèi)，這些表明變壓吸附可以實(shí)現(xiàn)氡的高選擇性分離.

表9 變壓吸附分離氡的分離前本底值以及分離后A 出口、B 出口濃度變化與分離倍率Table 9 Pressure swing adsorption separation of Radon:background value before separation, concentration at outlet A and outlet B after separation, and separation ratio

選用富集率（富集后氡濃度/本底氡濃度×100%）作為指標(biāo)可更為顯著地展示變壓吸附對(duì)氡的富集和去除性能.如表10 所列，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中氡的本底值低于150 Bq/m3時(shí)，富集率的范圍是114.0%～165.9%.當(dāng)本底值高于150 Bq/m3時(shí)，富集率的范圍是110.6%～187.0%，這表明無論氡濃度本地值高或者低，變壓吸附都是可以實(shí)現(xiàn)氡有效分離、富集和去除的手段.

此外，筆者將改性吸附材料用于氡的變壓吸附分離、去除，結(jié)果顯示改性的材料對(duì)氡的富集、去除能力有了顯著提升，富集率保持在120%左右（表11）.當(dāng)環(huán)境本底氡為535 Bq/m3時(shí)，富集后的氡濃度與相應(yīng)的富集率可達(dá)到693 Bq/m3和129.5%.證明該改性材料能夠強(qiáng)化氡的吸附分離/富集過程，有望應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)地下建筑內(nèi)氡的高效轉(zhuǎn)移去除.

表11 改性分子篩吸附劑變壓吸附分離富集地下實(shí)驗(yàn)室氡的濃度變化Table 11 Pressure swing adsorption separation and collection of Radon concentration in underground laboratory using modified molecular sieve adsorbents

5 展望

隨著我國地下建筑設(shè)施數(shù)量的急劇增加，其環(huán)境空間生存的健康性、安全性、舒適性要求越來越高，而部分地下密閉空間內(nèi)氡污染嚴(yán)重超標(biāo)，如地鐵、典型坑道、礦井、國防過程和地下實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中氡污染水平分別是1.2～166.5、105.3～4 434.2、1 952～5 121、39～17 169、28～482 Bq/m3.氡防護(hù)措施應(yīng)根據(jù)地下建筑的特征，包括面積、建材、人員密集度、溫度、濕度等要素“因地制宜”，確定環(huán)境中氡的分布水平，選擇適宜的除氡方法.應(yīng)該更關(guān)注變壓吸附法高效分離-轉(zhuǎn)移氡技術(shù).在后續(xù)研究中重點(diǎn)關(guān)注氡的處理量、環(huán)境中氡濃度降低至安全閥值所需時(shí)間、變壓吸附操作過程中的各種工藝參數(shù)、氡吸附分離機(jī)制、設(shè)備服役壽命、溫度/濕度/壓強(qiáng)對(duì)降氡效果的影響規(guī)律，變壓吸附與其他降氡措施的有機(jī)組合能有效實(shí)現(xiàn)地下建筑中氡高效去除.