专利名称：一种碳分子筛用于氡和氙气的分离方法
技术领域：
本发明涉及惰性气体的分离，以碳分子筛为吸附剂填充吸附床，采用三种分离方 式将氡、氙气体有效分离，为环境监测与生态保护提供了多样的技术服务。
背景技术：
文献检索披露中山大学邓继勇等人发明号为98113266. 9《活性炭纤维用于吸 附氙气的新方法》的专利，揭示在真空的系统中，将活性炭纤维与不同压力的氙气接触并 吸附一段时间，达到富集氙的目的。另德国林德股份公司阿尔弗雷德·万纳等人发明号为 CN1929455《通过空气的低温分离获取氪和/或氙的方法》的专利，是将压缩及被净化的空 气，导入一个用于氮-氧分离的精馏系统中，经高压塔、低压塔、蒸发器等装置提取氪-氙体 的浓缩物。目前所公知的富集氡的方法，也是采用活性炭盒在环境温度下吸附，用于研究氡 的析出率。因此说去氡是富集氙的重要技术，本发明采用的活性炭和碳分子筛，比活性炭纤 维吸附氙的能力要强。由于氡和氙都是惰性气体，含量低，在进行氙的活性炭或碳分子筛吸 附富集过程中，需要采用吸附分离技术，将氡分离去除。本发明采用的三种实现氙和氡的分 离方式，既可用于核反应堆、核电站等场所氙富集过程中除氡设计及氡析出率的研究，也适 合铀矿及高氡场所降氡的研究等，为环境监测、化工生产及生态保护提供新的技术手段及 措施。
发明内容
本发明的目的在于提供碳分子筛用于氡氙气体的三种分离的方法，合理可靠，操 作便捷，使仪器及装置的利用率得到较大的提升，也为环境监测及生态保护增添新的措施， 有重要的实践意义。本发明目的是这样实现的一种碳分子筛用于氡和氙气的分离方法，以A、B、A+B 除氡的分离模式；均采用碳分子筛的吸附床，经检测验证其分离效果；A、动态吸附性能差异分离法(1)配制浓度为20_200ppm的氙气体，流经碳分子筛吸附床，每隔4_5分钟检测其 流出浓度；得到氙的流出曲线，计算氙的动态吸附系数值；(2)取含氡40 X IO4-SOX IO4BqAi3的气体，经13X分子筛床，去除气体中水分，然后 进入碳分子筛床，用测氡仪测量流出氡的浓度，得到氡的流出曲线，计算氡的动态吸附系数
kd, En it ；B、解吸性能差异的分离法将已吸附氡和氙的吸附床，抽真空10_30kPa，加热220_280°C，保持20_60分钟，用 5-lOcm/分钟的高纯氮气，洗脱氡和氙气体，再用色谱和测氡仪测量氙和氡的浓度，并计算 氡和氙的流出体积；以体积差异，实现氙和氡的分离；C、A+B除氡的分离法结合A、B分离法，其解吸含有氡和氙的吸附床，控制解吸气体体积，实现氡和氙的分离；解吸气体依次流经13X分子筛吸附床、串联的吸附床，氡吸附在氡吸附床上，氙吸附 在氙吸附床上，实现氡和氙的分离。所述的分离方法，吸附床长40-80cm、内径0. 8cm、装量7_13g、恒温0_50°C，气体流 量在180-230cm7分钟条件下，得到的氡、氙动态吸附系数kd,Kn、kd,Xe差异较大。所述的分离方法，碳分子筛在使用前需在180-220°C，烘干3-5小时，除杂质、冷 却、填充吸附床，在200-220°C的温度下通氮气活化。所述的分离方法，选用的碳分子筛、13X分子筛为市售产品，吸附床均为自制。本发明构思与方法的实现，利用了物质的基本属性与原理，对仪器进行了著有成 效的利用探究，设计完成的氡氙气体的三种分离方法具体为一是氡、氙动态吸附性能差异 分离法，利用氡和氙在吸附剂上的动态吸附性能的差异，设计的串联吸附床，在混合气体流 经时，氡被吸附保留在氡吸附床，氙流经氡氙吸附床，被氙吸附床保留，实现氡和氙的分离。 二是氡、氙解吸性能差异分离法利用不同解吸温度下氡和氙解吸性能的差异，加热解吸 时，使氙完全流出吸附床而氡保留在吸附床上，实现氡和氙的分离。三是结合上述一、二法 的氡、氙动态吸附性能和解吸性能差异分离氡和氙，在氙的多级富集过程中除氡，使除氡彻 底。本发明利用氡和氙在吸附剂上的动态吸附系数差异或解吸体积不同来分离氡和 氙，分离因子为20-100，分离效果明显；如果两种分离氡和氙的方法结合使用，氡含量为 10000Bq/m3时，单次分离的氡分离因子可达104_105，两次分离的氡分离因子可大于105。本发明的技术特点A、氡、氙动态吸附性能差异分离法(1)色谱仪测量氙；采用HP6890热导检测器，色谱柱为长2m外径3mm的P0RAPAK Q (60 80目)，柱温900C，H2载气的流速为IOcm3/分钟，尾吹2cm3/分钟，参比流量35cm3/ 分钟，进样量为1cm3，检测器温度为205°C。(2)氙的动态吸附系数Kd的测定用高纯氮(氦)和氙标气(浓度范围2-10000ppm)，利用流量计配制浓度为 20-200ppm实验氙气；4_5分钟检测其氙的流出浓度，利用公式kd = Ftm/M计算得动态吸附 系数kup式中kd_动态吸附系数(cm7g) ；F-气体流量(cm3/分钟)；tm_氡和氙刚流出吸 附床时的时间(分钟)；M-干燥吸附剂的质量(g)。(3)氡的动态吸附系数Kd的测定氡与氙实验条件相同，从氡室抽取高浓度氡气体为40 X IO4-SOX 104Bq/m3，使之流 过13X分子筛床，除水分，流经吸附床，氡被吸附，用测氡仪测量流出气体中氡的浓度，计算 动态吸附系数kd,Kn。(4)氡、氙的体积分离对于待处理的气体体积V，还需要V1体积的氮气使氙从氡吸附床上完全洗脱。设 氡吸附床吸附剂装量为Hi1，氙吸附床吸附剂装量为m2，由保留体积计算m2Xkd,Xe = V①
Hi1 X kd,En = V+V1②
Hi1 X kd,Xe = V1③
解①、②、③方程，可以得到H^m2和氮气体积V115在吸附床直径比吸附剂颗粒的直 径大10倍以上的原则下，设计两吸附床。B、氡、氙解吸性能差异分离法将已吸附氡和氙的吸附床抽真空10_30kPa，加热180_320°C，保持20_60分钟，然 后用5-lOcm/分钟的高纯氮气洗脱氡和氙气体，分别用色谱和测氡仪，测定、计算氡和氙的 洗脱体积，因差别较大，即可控制解吸气体体积，实现氙和氡的分离。C、A+B除氡的分离方法结合A、B的分离方法，利用氡和氙在吸附剂上的动态吸附系数差异或解吸体积不 同来分离氡和氙，分离因子为20-100，分离效果明显；如果两种分离方法结合使用，氡分离 因子可大于105。本发明构思的分离方法，既利用了物质的基本属性与原理，又与客观实际操作相 结合，实现测试与探究过程，设计完成的氡和氙气体分离的三种方法，可靠、快捷、实用，彰 显技术进步。
下面将结合附图对本发明作进一步说明。氡氙气体分离方法的具体实施例如下附图1为氙的动态吸附实验示意图；图1中1-高纯氮气瓶，2-标准氙气瓶，3-减压阀，4-转子流量计，5、11_球阀、6_压 力传感器，7-恒温装置，8-吸附床，9-色谱进样系统，10-分流阀。附图2为氡的动态吸附实验示意图；图2中1-氡室，2-进气管道，3-过滤器，4-采样泵，5_流量积算仪，6_流量控制 器，7-13X分子筛床，8-碳分子筛吸附床，9-恒温装置，10-测氡仪。附图3为利用kd设计的氡和氙分离示意图；图3中1-空压机或其它气源，2,4-减压阀，3-高纯氮气，5_流量控制器，6_流量 积算仪，7-13X分子筛吸附床，8-氡吸附床，9、11_恒温装置，10-氙吸附床。附图4为氙氡的解吸实验示意图；图4中1-氮气瓶，2-减压阀，3-转子流量计，4-质量流量控制器，5_流量积算仪， 7_马福炉，6、10、11、14_阀门，8-碳分子筛吸附床，9-色谱进样系统，12-真空泵，13-测氡 仪。附图5为A+B除氡的实验示意图；图5中1-氮气瓶，2-减压阀，3-流量控制器，4-流量积算仪，5、6、9、11、17-阀门， 7-马福炉，8、14-氙吸附床，10-真空泵，12-13X分子筛吸附床，13-氡吸附床，15、16-恒温装置。
具体实施例方式实施例实验条件碳分子筛在使用前需在20(TC烘干4小时，除去水分杂质，转入干燥器 中冷却，装入吸附床，在210°C的温度下通氮气活化。实施方案
A 动态吸附性能差异分离法①配制氙浓度为IOOppm的气体，流经碳分子筛吸附床，每隔5分钟检测其流出浓 度；计算氙的动态吸附系数kd值。②取高浓度氡气体60 X 104Bq/m3,经13X分子筛床，去水分，入碳分子筛床，用测氡 仪测量流出氡的浓度，计算氡的动态吸附系数kd值。B 解吸性能差异的分离法将已吸附氡和氙的吸附床，抽真空20kPa，加热300°C，保持40分钟，用18cm/分钟 的高纯氮气，洗脱氡和氙气体，再用色谱和测氡仪测量氙和氡的浓度，并计算氡和氙的流出 体积；以体积差异，实现氙和氡的分离。C :A+B除氡的分离法将含有氡和氙的吸附床，抽真空、加热、洗脱、控制解吸体积，实现氡和氙的首次分 离；解吸气体流经13X分子筛吸附床，除气体中水分；流经串联的碳分子筛床，氡留在氡吸 附床上，氙留在氙吸附床上，实现氡和氙的二次分离。2、操作步骤一、氙动态吸附系数测定步骤(1)按图1所示连接好气路，检查气路密封性方可进行实验。(2)打开低温恒温槽的电源，设定其温度为25°C，稳定20分钟左右。(3)开启色谱仪和工作站，待基线稳定后方可进行样品分析。(4)关闭气路中的阀门5，打开阀门11，调节流量计到所需流量，然后关闭阀门11， 打开阀门5，让混合气体流过吸附床并进入色谱定量管，记录通气时间。(5)调节吸附床末端的分流阀，观察与色谱仪定量管连接的压力计，使其比大气压 高l-2kPa，使小部分气体流经色谱定量管，大部分气体由分流阀排空。(6)执行连续分析程序，记录条件与参数。(7)当流出气体中氙峰面积不再发生变化时，表明吸附床已经饱和吸附氙，结束样 品分析。(8)将皂沫流量计接在吸附床末端测量流量，读取8-10组流量值，取平均值。(9)处理色谱谱图，根据氙的标准曲线计算流出气体中氙浓度，并计算穿透时间、 半饱和时间和饱和时间，根据公式①计算吸附剂的动态吸附系数kd,Xe。(10)对氙吸附实验所用吸附床进行解吸，将吸附床置于已经加热到指定温度 180-320°C的马弗炉或烘箱中，加热30分钟后，用氮气吹洗干净，冷却至室温。二、氡动态吸附系数测定步骤(1)按图2所示连接好气路，检查气路密封性方可进行实验。(2)打开低温恒温槽的电源，设定其温度为25°C，吸附床恒温20分钟左右。打开 测氡仪电源，测量时间调节到10分钟使测氡仪稳定30分钟。(3)打开采样泵，设定流量控制器流量与氙吸附流量相同，进行吸附实验。记录条 件与参数。(4)当流出气体中氡活度很高且变化不大时，表明吸附床已经饱和吸附氡，结束样 品分析。(5)将皂沫流量计接在吸附床末端测量流量，读取8 10组流量值，取平均值。绘
6制氡吸附流出曲线，并计算穿透时间，根据公式①计算吸附剂的动态吸附系数kd,Kn。三、氡和氙解吸操作步骤(1)按图4所示连接，在色谱定量管处接真空泵，将吸附床抽真空达20kPa，关闭阀 门11，关闭真空泵；将吸附床置于已经加热到指定温度的马弗炉或烘箱中，再加热30分钟， 记录压力；打开N2和阀门16，调节到指定流量< IOcm3/分钟。关闭阀门16，打开阀门6和 阀门10，用色谱仪和测氡仪分别测量解吸流出气体中氙和氡的浓度，得到氡和氙的解吸曲 线。(2)以流出曲线中氙浓度低于最高浓度的5%为标准，确定流出时间，计算解吸体 积，再与吸附床容积相比，得到解吸体积与床容积比值，比较氡和氙的解吸体积的大小，确 定通过控制解吸体积分离氡和氙的解吸温度和解吸气体体积。四、结合上述方法分离氡和氙的操作步骤(1)按图5所示连接好气路，检查气路密封性方可进行实验。打开温恒装置的电 源，设定其温度为25°C，稳定20分钟左右。(2)关闭阀门5，10，打开阀门8，对氙吸附床抽真空至20kPa，关闭真空泵，关闭阀 门8，将吸附床置于已经加热到指定温度的马弗炉或烘箱中，加热30分钟。打开减压阀2和 阀门16，调节氮气流量到设定值，顺次关闭阀门16，打开阀门5和阀门10、17。(3)如图5所示，在气体流路密封良好的情况下，气体通过阀门2、流量控制器、13X 分子筛吸附床(去除水和二氧化碳等杂质)，流过氡吸附床和氙吸附床，氡吸附在氡吸附床 上，氙吸附在氙吸附床上，当流量积算仪测定气体累积体积与V (待处理气体HV1体积相同 时，关闭减压阀2、阀门5、10、17，关闭氮气。此时，氙保留在氙吸附床，氡保留在氡吸附床， 实现了氡和氙的分离；可对吸附床14上的氡氙气体进一步分离，多级富集氙的过程就是对 残存在氙气中的氡除之，此方法除氡效率高，去除氡的量与残存在氙气中的量的比值可以 达到IO3-IO5,实现了氡和氙的彻底分离。实验结果验证碳分子筛床长40cm、内径0. 86cm,装量为10g，气体流量为200cm3/分钟的条件下， 得到氡、氙的动态吸附系数kd,^kdi5fe，氡、氙在碳分子筛上的动态吸附性能差异较大。计算 得到0. 5m3含氙、氡气体所需碳分子筛装量m” m2和洗脱氮气体积\，结果见表。表氡、氙在碳分子筛上的动态吸附系数
实验温kd, Rnkd, Xekd, Rn / kd, Xe
度m3/kgm3/kg 。C
158 95 Τ575^7067.8 318.5 0.106
353.180.545.89 189.4 925.9 0. 102
mira2V1
ggm3
权利要求
一种碳分子筛用于氡和氙气的分离方法，其特征在于以A、B、A+B除氡的分离模式；均采用碳分子筛的吸附床，经检测验证其分离效果；A、动态吸附性能差异分离法(1)配制浓度为20 200ppm的氙气体，流经碳分子筛吸附床，每隔4 5分钟检测其流出浓度；得到氙的流出曲线，计算氙的动态吸附系数kd，Xe值；(2)取含氡40×104 80×104Bq/m3的气体，经13X分子筛床，去除气体中水分，然后进入碳分子筛床，用测氡仪测量流出氡的浓度，得到氡的流出曲线，计算氡的动态吸附系数kd，Rn值；B、解吸性能差异的分离法将已吸附氡和氙的吸附床，抽真空10 30kPa，加热220 280℃，保持20 60分钟，用5 10cm/分钟的高纯氮气，洗脱氡和氙气体，再用色谱和测氡仪测量氙和氡的浓度，并计算氡和氙的流出体积；以体积差异，实现氙和氡的分离；C、A+B除氡的分离法结合A、B分离法，其解吸含有氡和氙的吸附床，控制解吸气体体积，实现氡和氙的分离；解吸气体依次流经13X分子筛吸附床、串联的吸附床，氡吸附在氡吸附床上，氙吸附在氙吸附床上，实现氡和氙的分离。
2.按照权利要求1所述的分离方法，其特征在于吸附床长40-80cm、内径0.8cm、装量 7_13g、恒温0-50°C，气体流量在180-230cm7分钟条件下，得到的氡、氙动态吸附系数kd,Kn、 kd,Xe差异较大。
3.按照权利要求1所述的分离方法，其特征在于碳分子筛在使用前需在180-220°C， 烘干3-5小时，除杂质、冷却、填充吸附床，在200-220°C的温度下通氮气活化。
4.按照权利要求1所述的分离方法，其特征在于选用的碳分子筛、13X分子筛为市售 产品，吸附床均为自制。
全文摘要
本发明提供的一种碳分子筛用于氡和氙气的分离方法，采用动态吸附性能差异分离法时，需配制浓度为20-200ppm的氙气体，流经碳分子筛吸附床，每隔4-5分钟检测其流出浓度，计算氙的动态吸附系数kd，Xe值；取含氡40×104-80×104Bq/m3的气体，经13X分子筛床，去水分后进入碳分子筛床，测流出氡的浓度，计算氡的动态吸附系数kd，Rn值。采用解吸分离法时，将已吸附氡和氙的吸附床，抽真空10-30kPa，加热220-280℃，保持20-60分钟，用5-10cm/分钟的高纯氮气，洗脱氡和氙气体，测氙和氡的浓度并计算体积；以体积差异实现氙和氡的分离。采用A+B除氡分离法时，将含有氡和氙的吸附床，用解吸体积法处理，实现氡和氙的分离；解吸气体流经13X分子筛吸附床经串联的碳分子筛床，氡留其氡吸附床上，氙留其氙吸附床上；氙、氡分离效率达95％以上。
文档编号B01D53/04GK101985081SQ20101019638
公开日2011年3月16日 申请日期2010年6月10日 优先权日2010年6月10日
发明者冯淑娟, 周国庆, 周崇阳, 徐辉, 甘宗煜, 田梅, 邓培君 申请人:中国人民解放军63653部队