地下工程靜電除氡原理與試驗

耿世彬，亓 偉，歐陽特輝，劉秋林，肖 暢

（1.中國人民解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007；2.中國人民解放軍92941部隊96分隊，遼寧 葫蘆島 125001；3.廣州軍區(qū)工程科研設計所，廣東 廣州 510516；4.中國人民解放軍南京陸軍指揮學院 研究生大隊，江蘇 南京 210045）

0 引 言

氡是一種無色無味的放射性氣體，氡原子能自發(fā)地衰變成氡子體，在整個衰變過程中，會產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，會對人造成體內輻射傷害。

天然放射性氡氣的主要成分是222Rn，它來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，特別是通風狀況不良時氡容易聚集。氡及氡子體廣泛存在于地下工程內部，由于地質構造的不同，造成地下工程內部氡濃度（活度濃度，下同）不盡相同，由目前相關測試得知，絕大多數(shù)地下工程內部氡濃度超過400Bq·m－3（已建）的限值［1］。在相同地質條件下，地下工程內部的氡濃度比地面建筑高出約1或2個量級，這將嚴重影響地下工程內部人員的健康。

空氣凈化技術是采用過濾器從空氣中去除氡子體，這是最早提出和最容易實現(xiàn)的方案，但長期以來受到爭議，其焦點是空氣中的氡子體以結合態(tài)與未結合態(tài)2種形式存在，過濾器收集的是氣溶膠和結合到氣溶膠上的氡子體，但氣溶膠濃度降低將導致未結合態(tài)氡子體濃度增高。1990年美國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度的有效性方面未得到證實，同時也指出根據(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《室內空氣質量對人的影響：室內氡》中基本接受了美國EPA的觀點，但認為對于主要來源于建筑材料的氡可能會有效果［2］。

1992年Li和Hopke首先研究使用空氣過濾系統(tǒng)對室內普通粒子源的影響。Streil［3］采用自動半連續(xù)式活性加權粒度分布測量系統(tǒng)，測量包括氡濃度、凝結核計數(shù)、氡衰變產物的活度加權粒度分布，認為空氣凈化作為一種手段可減少獨立結構房屋氡子體所帶來的風險。Steck［4］認為，這些微粒應該包括結合態(tài)氡子體和未結合態(tài)氡子體，所以空氣凈化器能夠降低氡的衰變產物和總劑量。德國、日本在20世紀90年代開始氡氣溶膠微粒方面的研究，隨著測量技術的發(fā)展，一些可攜帶的結合態(tài)氡子體、未結合態(tài)氡子體連續(xù)測量裝置被開發(fā)出來，并用于氡暴露量和劑量的測量。日本對市場銷售的空氣凈化器進行了測試，結果顯示，氣溶膠過濾率為2h－1的氡含量（體積分數(shù)）可減少30%～50%。美國EPA 2000中提出了高效率微?？諝膺^濾器與活性炭過濾器結合的空氣凈化器，對于降低室內氡的水平是一個切實可行的方法。加拿大采樣極化玻璃纖維膜觀測到潛能濃度（PAEC）和氣溶膠濃度明顯下降，認為該項技術具有工業(yè)應用的潛力，但還未進行實際應用研究。

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

1 靜電除氡技術原理

1.1 氡子體的存在形態(tài)及特征

氡在常溫下是氣體，而氡的衰變產物氡子體的存在形態(tài)是固體，為納米級的粒子。在地下工程內部空間中，氡子體一方面可以通過重力作用、慣性力的撞擊作用以及布朗擴散作用等物理過程在墻壁、地面和設備表面沉積；另一方面，一部分氡子體會在很短的時間內（1～100s）吸附在內部空間的氣溶膠粒子表面形成結合態(tài)氡子體，這些結合態(tài)氡子體可能會沉積在各種物體的表面或繼續(xù)衰變，進一步產生新的未結合態(tài)氡子體。地下工程內部環(huán)境空氣中結合態(tài)和未結合態(tài)這2種氡子體的存在，給消除氡子體帶來一定困難。

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

氡的運移受很多因素影響，如氡氣對流、滲透、重力固體潮作用、地下水搬運、地應力作用、大氣壓縱深效應、其他氣體流動的帶動、地下微氣泡攜帶等，但氡運移的內在機制主要是擴散和團簇運移［5］。樂仁昌等［6］對氡及氡子體水平擴散系數(shù)進行了測量研究，結果表明：氡及氡子體的水平擴散系數(shù)與溫度的相關系數(shù)均為0.92，兩者呈線性正相關關系；在恒溫（30℃）條件下，實測的水平擴散系數(shù)為0.049 cm2·s－1；要使氡在空氣中的水平擴散系數(shù)達到經典值0.1cm2·s－1，其環(huán)境溫度應在40℃以上。地下工程環(huán)境溫度相對恒定，空間相對封閉，氡及氡子體的濃度遠高于地面工程，封閉房間中氡及氡子體的濃度遠高于正常使用房間。

1.2 技術原理

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

靜電除塵器的靜電場工作原理：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，此時針尖接正電位，由于針尖處的電場強度非常大，周邊氣體中的自由電子會高速沖向針尖，從而撞擊空氣中的中性分子，使其電子脫離出來形成正離子。這些電子成為自由電子后，又會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力的作用下擴散到空氣中，與空氣中的塵埃附著聚集，成為帶電微粒，被平板狀靜電場吸附，從而達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，而不是通過作用于整個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個主要特點。靜電除塵技術的主要原理和步驟為［7］：

（1）氣體電離：在放電極附近的強電場區(qū)域即電暈區(qū)內發(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：經過放電區(qū)的氣溶膠粒子與高速運動的電子或離子，通過碰撞或擴散效應獲得電荷。

（3）粒子遷移：荷電粒子在電場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)電場高壓靜電方式可捕集10nm以下的粒子，同時可高效捕集納米級的粒子。

2 靜電除氡裝置設計

2.1 整體設計思路

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

靜電除氡裝置主要包括以下4個部分：預過濾模塊、蜂窩電場模塊、平板電場模塊、精過濾模塊。預過濾模塊主要是對空氣進行預處理，濾掉空氣中大粒徑的粉塵、顆粒物；蜂窩電場模塊和平板電場模塊共同組成蜂窩－平板雙區(qū)靜電型高壓電場，為了保證荷電效果，微粒先經過蜂窩電場充分荷電，再到達平板電場區(qū)域沉降下來；為了保證除氡效率，精過濾模塊再進一步濾掉空氣中更小粒徑的塵粒。

2.2 內部結構設計

為了不讓空氣流經電場時荷電均勻，不存在“死角”，采用圓孔針狀結構靜電場荷電，集塵區(qū)采用平板式靜電場吸附已經荷電的粒子。圖1為蜂窩結構的排列方式，圖2為圓孔針狀電場電力線分布。

圖1中，金屬圓管排列成蜂窩狀，由負電極的金屬板連接。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，構成電暈極。當電壓足夠大時，由于電暈極直徑較小，特別是在針尖部分的曲率半徑更小，其表面的場強非常大，在電極附近的電子會被吸收形成電子“雪崩”現(xiàn)象，從而在電極附近產生大量正離子，在電場力作用下向沉降板移動。這些正離子在移動過程中，會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。

電極附近引起電子“雪崩”的區(qū)域稱為電暈區(qū)。電暈區(qū)內電子“雪崩”激化氣體分子產生高頻輻射（紫外線），可以保持電暈正常發(fā)展。當空氣流經金屬圓管時，空氣中的結合態(tài)氡子體微粒將被荷電并產生極性，從而被平板吸附電場吸附。圓管荷電電場與平板吸附電場結構示意如圖3所示。

圓管針狀荷電電場容易排列成蜂窩形結構。這樣的結構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，除氡裝置在結構設計時需要考慮沉積粒子對電場的影響。雙區(qū)電場與單區(qū)電場相比，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，同時考慮到地下工程內部空間較小的特點，靜電除氡裝置采用占地較小的立式雙區(qū)電場結構，荷電電場為蜂窩圓孔電場，吸附電場為平板電場，裝置內部結構如圖4所示。

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

圖4 靜電除氡裝置內部結構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

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

2.3.2 保證設備的長期運行效果

針狀電極結構只要有適當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。因為絕大部分微粒在被正離子荷電后都受到針尖表面強大的電場推斥力推向圓管或被氣流帶走。而因圓管具有負極性，容易吸引帶正電荷的微粒，工作一段時間后便會在圓管表面形成一層積灰。積灰累積到一定程度，會影響針狀電極吸收電子，從而影響正電暈區(qū)的形成和對粒子的荷電能力，所以為了提高除氡效果，采用多級多層靜電過濾的設計方法，可保證長期工作時的穩(wěn)定性和可靠性。

3 試驗分析

3.1 試驗基本情況

為驗證靜電除氡裝置的性能，選擇某地下坑道式工程進行試驗，試驗選取工程中的1個有密閉門的典型房間。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，有破碎風化帶，但無明顯界限。工程試驗時除氡裝置內部有循環(huán)風，測試期間除必要操作外，無人員出入，房間隔絕。試驗的環(huán)境溫度為25.5℃～26℃，相對濕度為73%～77%。

3.2 試驗過程及結果

首先，測試未開機之前氡子體本底濃度，采用專業(yè)氡子體測量儀器BWL測量連續(xù)時間段內的氡子體濃度，每小時記錄1次數(shù)據(jù)，取其平均值。開機運行時，先只開啟蜂窩電場模塊的電源，平板電場的電源關閉，進行單蜂窩電場靜電除氡試驗，每小時記錄1次數(shù)據(jù)；關機之后，房間密閉48h，開機只開啟平板電場的電源，關閉蜂窩電場模塊的電源，重新測試房間內的氡子體濃度；采用同樣的方法測試蜂窩電場模塊的電源和平板電場電源同時開啟時每小時洞內的氡子體濃度變化。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

試驗時在強風和弱風狀態(tài)下分別進行了測試，在2種不同風量下氡子體去除率隨凈化時間變化的比較如圖7所示。由圖7可知，在強風狀態(tài)下，氡子體去除率比弱風狀態(tài)下要高。

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

由試驗結果可知：雙區(qū)靜電方式除氡裝置在開機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。強風狀態(tài)比弱風狀態(tài)具有更高的氡子體去除率，究其原因，強風狀態(tài)加強了室內通過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 結語

本文中分析了地下工程內部除氡技術的研究現(xiàn)狀，根據(jù)結合態(tài)氡子體可以被靜電吸附這一特點，達到間接去除氡子體的目的。針對結合態(tài)氡子體不易被俘獲的技術難點，采用蜂窩－平板雙區(qū)靜電型高壓電場，設計了雙區(qū)靜電型除氡裝置，工程試驗測試結果表明，靜電除氡裝置具有較高的氡子體去除率。該靜電除氡技術，是對以往建筑隔氡技術和通風降氡技術的有效補充，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途徑。

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