耿世彬，亓 偉，歐陽(yáng)特輝，劉秋林，肖 暢

（1.中國(guó)人民解放軍理工大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)96分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001；3.廣州軍區(qū)工程科研設(shè)計(jì)所，廣東 廣州 510516；4.中國(guó)人民解放軍南京陸軍指揮學(xué)院 研究生大隊(duì)，江蘇 南京 210045）

0 引 言

氡是一種無(wú)色無(wú)味的放射性氣體，氡原子能自發(fā)地衰變成氡子體，在整個(gè)衰變過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一系列新的放射性核素，并釋放出α，β，γ射線，這些氡子體一旦被人體吸入，會(huì)對(duì)人造成體內(nèi)輻射傷害。

天然放射性氡氣的主要成分是222Rn，它來(lái)源于鈾系的天然放射性衰變系列，大地氡的釋放約占全部氡氣的77.7%。地下工程處于地下土壤、巖層包圍之中，特別是通風(fēng)狀況不良時(shí)氡容易聚集。氡及氡子體廣泛存在于地下工程內(nèi)部，由于地質(zhì)構(gòu)造的不同，造成地下工程內(nèi)部氡濃度（活度濃度，下同）不盡相同，由目前相關(guān)測(cè)試得知，絕大多數(shù)地下工程內(nèi)部氡濃度超過(guò)400Bq·m－3（已建）的限值［1］。在相同地質(zhì)條件下，地下工程內(nèi)部的氡濃度比地面建筑高出約1或2個(gè)量級(jí)，這將嚴(yán)重影響地下工程內(nèi)部人員的健康。

空氣凈化技術(shù)是采用過(guò)濾器從空氣中去除氡子體，這是最早提出和最容易實(shí)現(xiàn)的方案，但長(zhǎng)期以來(lái)受到爭(zhēng)議，其焦點(diǎn)是空氣中的氡子體以結(jié)合態(tài)與未結(jié)合態(tài)2種形式存在，過(guò)濾器收集的是氣溶膠和結(jié)合到氣溶膠上的氡子體，但氣溶膠濃度降低將導(dǎo)致未結(jié)合態(tài)氡子體濃度增高。1990年美國(guó)EPA頒布的《住宅空氣凈化器》中指出：采用空氣凈化的方法在減少氡引起的危險(xiǎn)度的有效性方面未得到證實(shí)，同時(shí)也指出根據(jù)現(xiàn)有資料不能中斷空氣凈化器的使用。歐盟1995年出版的《室內(nèi)空氣質(zhì)量對(duì)人的影響：室內(nèi)氡》中基本接受了美國(guó)EPA的觀點(diǎn)，但認(rèn)為對(duì)于主要來(lái)源于建筑材料的氡可能會(huì)有效果［2］。

1992年Li和Hopke首先研究使用空氣過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)普通粒子源的影響。Streil［3］采用自動(dòng)半連續(xù)式活性加權(quán)粒度分布測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量包括氡濃度、凝結(jié)核計(jì)數(shù)、氡衰變產(chǎn)物的活度加權(quán)粒度分布，認(rèn)為空氣凈化作為一種手段可減少獨(dú)立結(jié)構(gòu)房屋氡子體所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。Steck［4］認(rèn)為，這些微粒應(yīng)該包括結(jié)合態(tài)氡子體和未結(jié)合態(tài)氡子體，所以空氣凈化器能夠降低氡的衰變產(chǎn)物和總劑量。德國(guó)、日本在20世紀(jì)90年代開(kāi)始氡氣溶膠微粒方面的研究，隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，一些可攜帶的結(jié)合態(tài)氡子體、未結(jié)合態(tài)氡子體連續(xù)測(cè)量裝置被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并用于氡暴露量和劑量的測(cè)量。日本對(duì)市場(chǎng)銷售的空氣凈化器進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，氣溶膠過(guò)濾率為2h－1的氡含量（體積分?jǐn)?shù)）可減少30%～50%。美國(guó)EPA 2000中提出了高效率微?？諝膺^(guò)濾器與活性炭過(guò)濾器結(jié)合的空氣凈化器，對(duì)于降低室內(nèi)氡的水平是一個(gè)切實(shí)可行的方法。加拿大采樣極化玻璃纖維膜觀測(cè)到潛能濃度（PAEC）和氣溶膠濃度明顯下降，認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)具有工業(yè)應(yīng)用的潛力，但還未進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用研究。

目前，采用空氣凈化方法來(lái)降低氡濃度的研究較為常見(jiàn)，因地下環(huán)境的復(fù)雜性，可能存在凈化效率不高、凈化材料使用壽命短等問(wèn)題，因此有必要研究高效、節(jié)能、使用壽命長(zhǎng)的除氡技術(shù)和裝置，這對(duì)已經(jīng)建成的、人員活動(dòng)頻繁的地下工程具有重要意義。

1 靜電除氡技術(shù)原理

1.1 氡子體的存在形態(tài)及特征

氡在常溫下是氣體，而氡的衰變產(chǎn)物氡子體的存在形態(tài)是固體，為納米級(jí)的粒子。在地下工程內(nèi)部空間中，氡子體一方面可以通過(guò)重力作用、慣性力的撞擊作用以及布朗擴(kuò)散作用等物理過(guò)程在墻壁、地面和設(shè)備表面沉積；另一方面，一部分氡子體會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)（1～100s）吸附在內(nèi)部空間的氣溶膠粒子表面形成結(jié)合態(tài)氡子體，這些結(jié)合態(tài)氡子體可能會(huì)沉積在各種物體的表面或繼續(xù)衰變，進(jìn)一步產(chǎn)生新的未結(jié)合態(tài)氡子體。地下工程內(nèi)部環(huán)境空氣中結(jié)合態(tài)和未結(jié)合態(tài)這2種氡子體的存在，給消除氡子體帶來(lái)一定困難。

氡子體粒徑分布呈雙峰分布，其未結(jié)合態(tài)氡子體粒徑范圍為0.5～5nm，平均粒徑為1nm。結(jié)合態(tài)氡子體粒徑范圍為10～1 000nm，平均粒徑為100nm。但實(shí)際中由于氣溶膠的來(lái)源和成分不同，結(jié)合態(tài)氡子體的粒徑有很大差異。

氡的運(yùn)移受很多因素影響，如氡氣對(duì)流、滲透、重力固體潮作用、地下水搬運(yùn)、地應(yīng)力作用、大氣壓縱深效應(yīng)、其他氣體流動(dòng)的帶動(dòng)、地下微氣泡攜帶等，但氡運(yùn)移的內(nèi)在機(jī)制主要是擴(kuò)散和團(tuán)簇運(yùn)移［5］。樂(lè)仁昌等［6］對(duì)氡及氡子體水平擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量研究，結(jié)果表明：氡及氡子體的水平擴(kuò)散系數(shù)與溫度的相關(guān)系數(shù)均為0.92，兩者呈線性正相關(guān)關(guān)系；在恒溫（30℃）條件下，實(shí)測(cè)的水平擴(kuò)散系數(shù)為0.049 cm2·s－1；要使氡在空氣中的水平擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到經(jīng)典值0.1cm2·s－1，其環(huán)境溫度應(yīng)在40℃以上。地下工程環(huán)境溫度相對(duì)恒定，空間相對(duì)封閉，氡及氡子體的濃度遠(yuǎn)高于地面工程，封閉房間中氡及氡子體的濃度遠(yuǎn)高于正常使用房間。

1.2 技術(shù)原理

氡子體為金屬粒子，很容易與空氣中的粉塵結(jié)合并形成結(jié)合態(tài)氡子體，這樣可以通過(guò)靜電除塵的方法達(dá)到去除氡子體的目的。

靜電除塵器的靜電場(chǎng)工作原理：圓孔針狀電極在高電壓（通常為幾千伏）下放電，以采用正電暈為例，此時(shí)針尖接正電位，由于針尖處的電場(chǎng)強(qiáng)度非常大，周邊氣體中的自由電子會(huì)高速?zèng)_向針尖，從而撞擊空氣中的中性分子，使其電子脫離出來(lái)形成正離子。這些電子成為自由電子后，又會(huì)被針尖吸引而撞擊其他分子，形成“雪崩”現(xiàn)象，在針尖附近形成一個(gè)穩(wěn)定的電暈區(qū)。自由電子最終被圓孔針狀電極吸收，而正離子在氣流和電場(chǎng)力的作用下擴(kuò)散到空氣中，與空氣中的塵埃附著聚集，成為帶電微粒，被平板狀靜電場(chǎng)吸附，從而達(dá)到去除氡子體的目的。

借助靜電力從空氣中分離懸浮粒子的方法，與其他類似機(jī)械分離粒子的方法的根本不同之處在于，分離力直接作用于各粒子上，而不是通過(guò)作用于整個(gè)氣流上的力間接作用在粒子上。靜電力直接而高效地被利用，決定了靜電除塵器具有去除效率高和能耗低這2個(gè)主要特點(diǎn)。靜電除塵技術(shù)的主要原理和步驟為［7］：

（1）氣體電離：在放電極附近的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域即電暈區(qū)內(nèi)發(fā)生電暈放電，可生成大量高能自由電子和離子。

（2）粒子荷電：經(jīng)過(guò)放電區(qū)的氣溶膠粒子與高速運(yùn)動(dòng)的電子或離子，通過(guò)碰撞或擴(kuò)散效應(yīng)獲得電荷。

（3）粒子遷移：荷電粒子在電場(chǎng)力的作用下遷移至集塵極表面。

（4）粒子的沉積和清除：荷電粒子沉積到集塵極表面后將其清除，從而使氡子體得到去除。

目前，雙區(qū)電場(chǎng)高壓靜電方式可捕集10nm以下的粒子，同時(shí)可高效捕集納米級(jí)的粒子。

2 靜電除氡裝置設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)思路

靜電除氡的基本方法是在高壓電場(chǎng)中讓結(jié)合態(tài)氡子體微粒荷電，從而產(chǎn)生極性，微粒在集塵區(qū)就可以被吸附在電場(chǎng)的極板上。因此，讓所有的微粒充分荷電，且有效地吸附在電極板上，就能實(shí)現(xiàn)除塵降氡的目的。

靜電除氡裝置主要包括以下4個(gè)部分：預(yù)過(guò)濾模塊、蜂窩電場(chǎng)模塊、平板電場(chǎng)模塊、精過(guò)濾模塊。預(yù)過(guò)濾模塊主要是對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)處理，濾掉空氣中大粒徑的粉塵、顆粒物；蜂窩電場(chǎng)模塊和平板電場(chǎng)模塊共同組成蜂窩－平板雙區(qū)靜電型高壓電場(chǎng)，為了保證荷電效果，微粒先經(jīng)過(guò)蜂窩電場(chǎng)充分荷電，再到達(dá)平板電場(chǎng)區(qū)域沉降下來(lái)；為了保證除氡效率，精過(guò)濾模塊再進(jìn)一步濾掉空氣中更小粒徑的塵粒。

2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了不讓空氣流經(jīng)電場(chǎng)時(shí)荷電均勻，不存在“死角”，采用圓孔針狀結(jié)構(gòu)靜電場(chǎng)荷電，集塵區(qū)采用平板式靜電場(chǎng)吸附已經(jīng)荷電的粒子。圖1為蜂窩結(jié)構(gòu)的排列方式，圖2為圓孔針狀電場(chǎng)電力線分布。

圖1中，金屬圓管排列成蜂窩狀，由負(fù)電極的金屬板連接。針狀電極由正電極板支架固接，并位于金屬圓管的軸心線上，構(gòu)成電暈極。當(dāng)電壓足夠大時(shí)，由于電暈極直徑較小，特別是在針尖部分的曲率半徑更小，其表面的場(chǎng)強(qiáng)非常大，在電極附近的電子會(huì)被吸收形成電子“雪崩”現(xiàn)象，從而在電極附近產(chǎn)生大量正離子，在電場(chǎng)力作用下向沉降板移動(dòng)。這些正離子在移動(dòng)過(guò)程中，會(huì)使空氣中的粉塵粒子荷電，從而促使粉塵粒子向沉降板移動(dòng)。

電極附近引起電子“雪崩”的區(qū)域稱為電暈區(qū)。電暈區(qū)內(nèi)電子“雪崩”激化氣體分子產(chǎn)生高頻輻射（紫外線），可以保持電暈正常發(fā)展。當(dāng)空氣流經(jīng)金屬圓管時(shí)，空氣中的結(jié)合態(tài)氡子體微粒將被荷電并產(chǎn)生極性，從而被平板吸附電場(chǎng)吸附。圓管荷電電場(chǎng)與平板吸附電場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圓管針狀荷電電場(chǎng)容易排列成蜂窩形結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)不僅提高了荷電效果，也最大限度地減小了排氣阻力。

與凈化空氣相比，除氡裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮沉積粒子對(duì)電場(chǎng)的影響。雙區(qū)電場(chǎng)與單區(qū)電場(chǎng)相比，不僅凈化效率高，還可以有效防止沉積粒子引起的反電暈現(xiàn)象，清灰也較方便，同時(shí)考慮到地下工程內(nèi)部空間較小的特點(diǎn)，靜電除氡裝置采用占地較小的立式雙區(qū)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，荷電電場(chǎng)為蜂窩圓孔電場(chǎng)，吸附電場(chǎng)為平板電場(chǎng)，裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 圓管荷電電場(chǎng)與平板吸附電場(chǎng)Fig.3 Tube Charged Electric Field and Flat Adsorption Electric Field

圖4 靜電除氡裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 Internal Structure of Electrostatic Radon Elimination Device

2.3 裝置安全與可靠性措施

2.3.1 消除電火花引起的不安全因素

荷電電場(chǎng)可以采用正電暈，也可以采用負(fù)電暈。采用負(fù)電暈時(shí)，針尖接負(fù)電位，圓管接正電位。此時(shí)，針尖在電場(chǎng)作用下發(fā)射電子，這些電子使氣流中的分子形成負(fù)離子，也會(huì)使微粒荷電。負(fù)電暈的優(yōu)點(diǎn)是電子發(fā)射容易，缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生臭氧及電火花發(fā)生擊穿故障［8］。為盡量減少臭氧的產(chǎn)生以及避免電火花引起的不安全因素，應(yīng)采用正電暈。

2.3.2 保證設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行效果

針狀電極結(jié)構(gòu)只要有適當(dāng)高的電壓就容易形成穩(wěn)定的電暈區(qū)，針上不容易聚集微粒，特別是針尖部分。因?yàn)榻^大部分微粒在被正離子荷電后都受到針尖表面強(qiáng)大的電場(chǎng)推斥力推向圓管或被氣流帶走。而因圓管具有負(fù)極性，容易吸引帶正電荷的微粒，工作一段時(shí)間后便會(huì)在圓管表面形成一層積灰。積灰累積到一定程度，會(huì)影響針狀電極吸收電子，從而影響正電暈區(qū)的形成和對(duì)粒子的荷電能力，所以為了提高除氡效果，采用多級(jí)多層靜電過(guò)濾的設(shè)計(jì)方法，可保證長(zhǎng)期工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)基本情況

為驗(yàn)證靜電除氡裝置的性能，選擇某地下坑道式工程進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)選取工程中的1個(gè)有密閉門(mén)的典型房間。工程被覆山體處于沉積巖與侵入巖的接觸區(qū)域，山體頂部大部分為石英砂巖，部分為花崗巖；底部大部分為花崗巖，部分為石英砂巖；接觸帶巖石呈漸變性質(zhì)，有破碎風(fēng)化帶，但無(wú)明顯界限。工程試驗(yàn)時(shí)除氡裝置內(nèi)部有循環(huán)風(fēng)，測(cè)試期間除必要操作外，無(wú)人員出入，房間隔絕。試驗(yàn)的環(huán)境溫度為25.5℃～26℃，相對(duì)濕度為73%～77%。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

首先，測(cè)試未開(kāi)機(jī)之前氡子體本底濃度，采用專業(yè)氡子體測(cè)量?jī)x器BWL測(cè)量連續(xù)時(shí)間段內(nèi)的氡子體濃度，每小時(shí)記錄1次數(shù)據(jù)，取其平均值。開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)，先只開(kāi)啟蜂窩電場(chǎng)模塊的電源，平板電場(chǎng)的電源關(guān)閉，進(jìn)行單蜂窩電場(chǎng)靜電除氡試驗(yàn)，每小時(shí)記錄1次數(shù)據(jù)；關(guān)機(jī)之后，房間密閉48h，開(kāi)機(jī)只開(kāi)啟平板電場(chǎng)的電源，關(guān)閉蜂窩電場(chǎng)模塊的電源，重新測(cè)試房間內(nèi)的氡子體濃度；采用同樣的方法測(cè)試蜂窩電場(chǎng)模塊的電源和平板電場(chǎng)電源同時(shí)開(kāi)啟時(shí)每小時(shí)洞內(nèi)的氡子體濃度變化。雙區(qū)靜電氡子體濃度和去除率隨凈化時(shí)間的變化曲線如圖5，6所示。

圖5 雙區(qū)靜電氡子體濃度變化曲線Fig.5 Variation Curve of Radon Daughters Concentration in Dual－zone Electrostatic Field

試驗(yàn)時(shí)在強(qiáng)風(fēng)和弱風(fēng)狀態(tài)下分別進(jìn)行了測(cè)試，在2種不同風(fēng)量下氡子體去除率隨凈化時(shí)間變化的比較如圖7所示。由圖7可知，在強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)下，氡子體去除率比弱風(fēng)狀態(tài)下要高。

圖8為在強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)下單區(qū)靜電和雙區(qū)靜電氡子體去除率的比較。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：雙區(qū)靜電方式除氡裝置在開(kāi)機(jī)4h后除氡率在90%以上，具有很好的除氡效果；雙區(qū)靜電方式相比單區(qū)靜電方式具有更高的氡子體去除率。強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)比弱風(fēng)狀態(tài)具有更高的氡子體去除率，究其原因，強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)加強(qiáng)了室內(nèi)通過(guò)除氡裝置的換氣次數(shù)，使氡子體濃度衰減迅速，整體濃度有所降低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文中分析了地下工程內(nèi)部除氡技術(shù)的研究現(xiàn)狀，根據(jù)結(jié)合態(tài)氡子體可以被靜電吸附這一特點(diǎn)，達(dá)到間接去除氡子體的目的。針對(duì)結(jié)合態(tài)氡子體不易被俘獲的技術(shù)難點(diǎn)，采用蜂窩－平板雙區(qū)靜電型高壓電場(chǎng)，設(shè)計(jì)了雙區(qū)靜電型除氡裝置，工程試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，靜電除氡裝置具有較高的氡子體去除率。該靜電除氡技術(shù)，是對(duì)以往建筑隔氡技術(shù)和通風(fēng)降氡技術(shù)的有效補(bǔ)充，此靜電除氡裝置適用于已建工程和改造工程，尤其是地下空氣隔絕環(huán)境條件，為地下空間氡污染控制提供了新的技術(shù)途徑。

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