活性炭对氡吸附性能的影响因素研究

张艳丽，唐 璇，曹中胜，田时泓，郦文忠

(1.成都理工大学 工程技术学院， 四川 乐山 614000； 2.核工业西南物理研究院，四川 成都 610041；3.昆明理工大学，云南 昆明 650500 )

氡是一种放射性气体，有222Rn、220Rn、219Rn三种同位素，分别属于铀系、钍系和锕系核素。其中，220Rn和219Rn半衰期很短，迁移距离小，因此，室内氡的主要贡献者是222Rn。由于氡是气态，可通过呼吸系统自由进入人体，当人体吸入氡后，氡衰变产生的α射线对其周围的肺部细胞形成照射，造成辐射损伤，引发肺癌。若长期处于高水平氡及其子体环境下，会提高肺癌的发病率，严重影响人类的健康[1-2]。建筑材料是室内氡的主要来源，如花岗岩、砖沙、水泥等，特别是含放射性核素较高的天然石材，更容易释放出氡。另外，密闭的空调房，取暖或做饭使用的燃煤和燃气都会使室内氡浓度增大，同时，考虑到广大公众平均每天约有80%的时间停留在室内，有必要对室内环境中的氡浓度进行深入研究和有效控制[3]。

活性炭是一种微孔结构发达的强吸附剂，对放射性气体氡具有良好的吸附效果，广泛应用于环境测氡、除氡、降氡以及探矿等各项活动中[4]。活性炭盒法灵敏度高、精度高、抗干扰性强、成本低、易操作，是目前最理想的测氡方法之一[5]。活性炭盒法分为主动式和被动式，被动式活性炭盒法属于等待式吸附，可充分与室内氡达到动态平衡，精确度较高，广泛应用于室内测氡。被动式活性炭盒法中，活性炭的吸附量不仅与空气中的氡浓度、活性炭材料有关，还与活性炭的用量、干燥性和吸附时间以及测点环境的温度、湿度和气压等因素有关。这些因素都会影响室内空气氡浓度的精确测量。因此，本研究分别对活性炭的吸附时间、干燥性、用量与放置位置等因素进行探究，测量活性炭在不同吸附时间、烘干与未烘干以及不同质量时活性炭的γ能谱总净计数，讨论这些因素对精确测量室内空气中氡浓度的影响，拟为精确测量室内空气中氡浓度提供参考。

1 实验材料

1.1 实验仪器与装置

带铅室的低本底NaI(Tl)闪烁γ能谱仪：铅室壁厚10 cm，探头NaI(Tl)晶体为Φ75 mm×75 mm，能量分辨率小于8.5%，能量非线性小于1%(60～2 500 keV)；谱仪道数为1 024、2 048和4 096道，可由计算机多道能谱分析软件选择控制。

1.2 实验样品

样品盒为Φ70 mm×100 mm的直筒式塑料盒，活性炭为椰壳活性炭。椰壳活性炭是以优质椰壳为原料，经干燥、炭化和高温水蒸气活化后精制加工而成，粒径0.9～2.5 mm，填充密度450～550 g/L，碘吸附值900～1 250 mg/g，比表面积950～1 200 m2/g，由上海活性炭厂有限公司提供。

2 实验方法

2.1 活性炭分装

活性炭在分装前，部分放入120 ℃烘箱中烘烤6 h。烘干后进行分装，30 g(烘干)装填18盒，50 g(烘干)装填18盒，20 g烘干与未烘干各装填18盒。

2.2 样品布置

为提高测量精度，增大γ总计数，在采样点的室内放置约150 g开放型的天然铀矿石，同时，将活性炭放置在实验中心的小源库内，源库面积约3 m×2 m，无窗，一个入口，入口处由铁门密封。采样时，将源库密封。由于铀矿石一直储存在源库内，且源库处于密封状态，因此，采样时室内空气氡浓度近似处于平衡状态。

活性炭样品盒布置示于图1，中心点放置天然铀矿石，围绕中心点布置三圈取样点，每圈平均划分为6段，每段各放置20 g烘干、20 g未烘干、30 g烘干和50 g烘干四盒样品。

图1 样品盒布置方式示意图Fig.1 Schematic diagram for the arrangement mode of sample boxes

2.3 样品测量

样品在吸附前密封，吸附时打开样品盒，依据样品盒的布置方式放置于各取样点。取样结 束后盖紧样品盒，放置3 h，使其处于放射性平

衡。活性炭在吸附氡的同时，其子体也沉积其中。当氡与其衰变子体达到放射性平衡时，氡与其子体的原子核数之比为一固定值。因此，测量样品时，既可以测量222Rn的α射线，也可以测量其衰变子体如218Po和214Po的α射线，同时也可测量214Pb和214Bi的β或γ射线。由于测量γ射线更容易实施，214Pb和214Bi产生的γ射线强度大，总能量约占整个铀系的98%以上，有利于提高测量精度，因而，实验采用低本底NaI(Tl)闪烁γ能谱仪测量其γ总计数10 min，读取全谱γ总计数。此时的全谱γ总计数由氡子体衰变的γ射线产生的计数与本底计数(环境和仪器本身产生的计数)组成。为精确分析，将全谱γ总计数扣除本底计数，获得γ能谱总净计数。本底计数测量时铅室内不放置样品，其余与样品测量条件相同。

2.4 氡吸附量影响因素

按照上述实验方法分别研究活性炭的吸附时间、干燥性、用量、放置位置对氡吸附量的影响。

3 结果与讨论

3.1 吸附时间对氡吸附量的影响

为研究活性炭的最佳吸附时间，测量20 g、30 g和50 g干燥活性炭在不同吸附时间的γ能谱总净计数，第一圈、第二圈和第三圈活性炭的γ能谱总净计数随吸附时间的变化情况示于图2。由图2结果可知，活性炭的吸附量随吸附时间延长而增加，第3 d或4 d时吸附量达到最大，随后活性炭吸附量出现减小趋势。活性炭与氡之间属于物理吸附，依靠分子间的范德华力，同时存在吸附和解吸过程。当活性炭刚 放置在空气中时，活性炭的吸附使活性炭周围的氡浓度下降，高浓度的氡向活性炭扩散，促进活性炭对氡的吸附；随着吸附量的增大，活性炭表面被氡覆盖的面积越来越大，出现解吸现象。当吸附与解吸达到平衡时，吸附量达到最大值。这种平衡不能长期保持，温度升高时分子热运动增大，解吸加剧，活性炭对氡的吸附量下降；随着活性炭暴露时间的增长，活性炭湿度增大，降低了活性炭对氡的吸附性能；此外，吸附在活性炭表面的氡不断衰变，使得活性炭表面的氡吸附量降低。因此，活性炭不是吸附时间越长越好，存在最佳吸附时间。图2结果表明，活性炭最佳吸附时间为3 d或4 d，与文献结论相符[6-7]。

a——20 g；b——30 g；c——50 g图2 活性炭的γ总净计数随吸附时间的变化曲线 a——20 g；b——30 g；c——50 gFig.2 Changing curve of γ energy spectrum total net counts with absorption time for activated carbon

3.2 干燥性对氡吸附量的影响

活性炭在吸附氡的同时，也在吸附空气中的水分。活性炭的含水率较高时其微孔表面裸露面积较少，微孔表面多余的吸引力被水分子中和，造成活性炭对氡的吸附能力下降。烘干活性炭放置在空气中时，吸附能力会随时间发生变化。为观察活性炭的干燥性对氡吸附量的影响，研究20 g烘干与未烘干活性炭在第三圈的γ能谱总净计数随吸附时间的变化，结果示于图3。由图3结果可知，烘干活性炭在前3 d的吸附量明显高于未烘干活性炭，从第4 d开始，两者的γ能谱总净计数相近，吸附量相近。结果表明，烘干活性炭在第3 d或第4 d吸附了足够的水分，吸附能力下降，同时伴随的衰变使γ总计数降低，两者吸附相近。具体烘干的有效时间，与活性炭放置点的环境湿度有关。

3.3 活性炭用量对氡吸附量的影响

第一圈、第二圈、第三圈活性炭在不同时间的γ能谱总净计数随活性炭质量的变化情况示于图4。由图4结果可知，前3 d，随活性炭质量增大，γ能谱总净计数变化不大，活性炭的氡吸附量与质量关系不明显；后3 d，γ能谱总净计数随活性炭质量增大而增大。样品盒规格相同时活性炭的暴露面积相同，因此活性炭用量越大，其装填深度越深。前3 d，氡在活性炭中的渗透深度未达到装填深度，不同用量的活性炭γ能谱总净计数相当；随着吸附时间延长，渗透深度越来越深，活性炭用量小的样品盒，其渗透深度先达到装填深度，而用量大的将继续渗透，随着吸附时间的延长，装填深度越深的γ能谱总净计数越大。

图3 第三圈烘干与未烘干20 g活性炭的 γ总净计数随吸附时间的变化曲线 Fig.3 Changing curve of γ total net counts with absorption time for the third round of drying and non-drying 20 g activated carbon

a——第一圈；b——第二圈；c——第三圈图4 1～6 d不同质量活性炭的γ总净计数 a——The first circle；b——The second circle；c——The three circleFig.4 Changing curve of γ total net counts for the three different amounts of activated carbon in 1 to 6 days

3.4 放置位置对氡吸附量的影响

取样中心点放置的天然铀矿石使得室内氡浓度不均匀。为了研究在密闭、无空气流速、氡浓度不均匀的室内，活性炭放置位置对氡吸附量的影响，测量以铀矿石为中心，布置在第一圈、第二圈和第三圈的γ能谱总净计数。50 g活性炭在1～6 d内的γ能谱总净计数随圈数的变化情况示于图5。由图5结果可知，在同1 d内，不同圈数的γ能谱总净计数差异不大，活性炭的放置位置对氡的吸附量无明显影响。可能原因是氡原子靠热运动以及氡在空气中的浓度梯度作用扩散，导致不同位置的氡浓度差异不大。

图5 50 g活性炭在1～6 d内的 γ能谱总净计数随圈数的变化关系曲线Fig.5 Changing curve of γ total net counts with the change of round for the 50 g activated carbon in 1 to 6 days

4 小结

通过对活性炭氡吸附量影响因素的分析，得出下结论：

1) 活性炭对氡的吸附同时存在吸附和解吸两个可逆过程，当环境温度升高时，解吸现象加剧，活性炭氡吸附量下降；另外，敞口放置使活性炭湿度增大，降低了活性炭对氡的吸附能力，同时伴随氡的衰变，也将造成活性炭对氡吸附量下降。因此，活性炭吸附时间不是越长越好，最佳吸附时间为3 d或4 d。

2) 活性炭放置前期，烘干活性炭对氡的吸附能力强于未烘干活性炭；在第3 d或第4 d活性炭吸附了足够的水分，吸附能力下降，最终两者吸附量相当。

3) 前3 d，氡在活性炭中的渗透深度均未达到活性炭的装填深度，不同用量活性炭吸附氡的量相当；随后，活性炭用量小的先达到装填 深度，活性炭用量大的继续向深部渗透，活性炭

用量大的对氡的吸附量大。

4) 在密闭、无空气流速、氡浓度不均匀的室内，活性炭的放置位置对氡的吸附量无明显影响。

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