一种活性炭吸附氡饱和系数的测定装置和方法

1.本发明涉及氡的吸附和氡浓度测量领域，特别是一种活性炭吸附氡饱和系数的快速测定装置和方法。


背景技术：

2.活性炭是一种多孔性含碳物质，其发达的微孔构造和巨大的比表面积，使其对许多种物质具有较强的吸附能力，并在空气净化(吸附目标气体为甲醛、氨、苯、二甲苯和氡等)、废水治理、氡气测量、含氡气体排放吸附等许多领域得到广泛应用。目前，应用最广的活性炭气相吸附性能测试方法是采用四氯化碳吸附率法。但由于采用的测试气体并不是目标气体，因此，所得到的检测结果有一定的局限性。
3.在氡浓度恒定的空气中，当活性炭累积的氡活度达到稳定而不随时间变化的状态，称为吸附饱和状态，活性炭的吸附饱和系数ε(m3/kg)为吸附饱和状态下，单位质量活性炭中的氡活度与活性炭所暴露的空气中的氡浓度值之比，该值能够很好的用来衡量活性炭吸附氡气的能力，也能间接衡量活性炭吸附甲醛、氨、苯、二甲苯等其它气体的能力。因此，一种活性炭吸附氡饱和系数的测定装置和方法对于判别活性炭吸附性能，指导活性炭加工与生产具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种活性炭吸附氡饱和系数的测定装置和方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种活性炭吸附氡饱和系数的测定装置，其包括恒温恒湿箱、密封罐、活性炭盒以及氡浓度测量装置，所述氡浓度测量装置包括测氡仪和干燥柱，所述活性炭盒设在密封罐内，密封罐设在恒温恒湿箱内，密封罐的出口端与干燥柱的入口端连接，干燥柱的出口端与测氡仪的入口端连接，测氡仪的出口端与密封罐的入口端连接。
7.采用上述测定装置的活性炭吸附氡饱和系数的测定方法为：将吸附了足量氡气的活性炭盒暴露在密封罐内，并置于测定装置中，当密封罐空气氡浓度和活性炭氡浓度达到稳定不随时间变化时，测量吸附饱和状态下的空气氡浓度ca以及吸附饱和状态下单位质量活性炭的氡浓度活度值cc(∞)，根据ca、cc(∞)计算得到活性炭吸附氡饱和系数ε，
8.计算公式为
9.所述的活性炭吸附氡饱和系数的测定方法，具体包括以下步骤：
10.步骤s1：将活性炭烘烤以除去活性炭中残留的氡气及水分；
11.步骤s2：将烘烤过后的活性炭装满活性炭盒，并称重得到活性炭的重量，记为m；
12.步骤s3：将活性炭盒放置在装有铀矿石的密闭容器中若干天，使活性炭充分吸附氡气；
13.步骤s4：活性炭吸附氡气完毕后取出，敞开放置在密封罐中，将密封罐放置在恒温
恒湿箱中；
14.步骤s5：用塑料软导管将密封罐、干燥柱和测氡仪连接成闭合回路，在各接口处涂上复合高温脂以防止漏气；
15.步骤s6：开启恒温恒湿箱，设置温度为某一值，待温度显示达到设置值后，启动测氡仪，设置为测量模式，周期设置为1h；
16.步骤s7：观察测氡仪记录的氡浓度数据，当发现氡浓度在至少4个测量周期内基本稳定不变时，认为活性炭处于吸附饱和状态，停止测量，将稳定后的最后3个数据取平均值作为吸附饱和状态下的空气氡浓度，记为ca；
17.步骤s8：取出活性炭盒并旋紧封盖，静置3.5～4h后用bh1936能谱仪测量γ总计数率，测量时间设置为300s，扣除本底后的计数率记为n；
18.同时，测得活性炭盒中吸附饱和状态下单位质量活性炭的氡浓度活度值cc(∞)；
19.步骤s9：活性炭吸附氡饱和系数计算表达式为式中η为活性炭盒总计数探测效率因子。
20.为了减小误差，可以按上述实验步骤在相同条件下进行多次实验，取多次实验结果的平均值作为该条件下活性炭吸附饱和系数ε的测量值。
21.其中，本发明所涉及的cc(∞)推导公式如下：
22.单位质量活性炭中的氡浓度活度随时间变化的微分方程为：
[0023][0024]
式中，λ(s-1
)为氡的衰变常数，2.1
×
10-6
s-1
，ca(bq/m3)为空气中的氡浓度，cc(t)(bq/kg)为单位质量活性炭中的氡活度。k1ca为单位时间由空气进入单位质量中被吸附的氡活度量；k2cc(t)为单位时间从单位质量活性炭中解吸附脱离束缚而扩散到空气中的氡活度量；λcc(t)为单位时间从单位质量活性炭中由于衰变减少的氡活度量。
[0025]
假设新鲜干净的活性炭在恒定氡浓度的空气中，在暴露初始时刻活性炭中的氡原子数目为零，解(1)得
[0026][0027]
上式即单位质量活性炭中氡浓度活度累计量cc随时间的变化关系式，累计速率为
[0028][0029]
从上式可以看出，活性炭累计氡的速率是呈指数衰减变化的，初始速率为k1ca，指数衰减系数为k2+λ，足够长的时间后累计速率趋于零，即
[0030][0031]
本发明提供了一种活性炭吸附氡饱和系数的测定装置和方法，所述测定装置的结构简单，将吸附了足量氡气的活性炭盒暴露在密封罐中，当密封罐空气氡浓度和活性炭氡浓度达到稳定不随时间变化时，通过测量此时密封罐的空气氡浓度和单位质量活性炭氡浓
度，即可得到吸附饱和系数。本发明以目标气体氡作为测试气体，所得到的检测结果更准确有效。
附图说明
[0032]
图1为本发明的活性炭吸附饱和系数的测定装置。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0034]
如图1所示，一种活性炭吸附氡饱和系数的测定装置，该测定装置包括恒温恒湿箱1、密封罐2，活性炭盒3以及氡浓度测量装置，所述氡浓度测量装置包括rad7测氡仪4和干燥柱5，所述活性炭盒3设在密封罐2内，密封罐2设在恒温恒湿箱1内，密封罐2的出口端与干燥柱5的入口端连接，干燥柱5的出口端与rad7测氡仪4的入口端连接，rad7测氡仪4的出口端与密封罐2的入口端连接。
[0035]
本发明中，恒温恒湿箱为上海一恒科学仪器有限公司生产的lhs-100cl恒温恒湿箱。
[0036]
密封罐为底面直径15cm，高15cm的圆柱形密封罐，采用低放射性且不易吸附氡的材料制成，密封罐的上顶部为带有螺旋纹、可旋紧密封的盖子。
[0037]
活性炭盒的直径为6至10厘米，高为3到5厘米，盒顶部为带有螺纹的、可旋紧密封的盖子。活性炭盒内装有活性炭，表面盖有滤膜，置于密封罐内部。
[0038]
干燥柱的直径为6.7cm，高度为28.9cm，内部装有510克无水硫酸钙干燥剂。
[0039]
密封罐、干燥柱、rad7测氡仪采用塑料软导管连接成闭合回路，塑料软管为内口径5mm的乙烯树脂管。
[0040]
采用本发明所述的装置进行活性炭吸附饱和系数的测定方法为：使活性炭充分吸附氡气，随后将活性炭盒敞开放置于密封罐内，并置于测定装置中，测量装置内处于吸附饱和状态下的空气氡浓度ca，将活性炭盒取出并旋紧封盖，测量吸附饱和状态下单位质量活性炭的氡浓度活度值cc(∞)，根据ca、cc(∞)计算得到吸附饱和系数ε。
[0041]
所述测定方法具体如下：
[0042]
步骤s1：将活性炭放置在烤箱内烘烤6h，温度设置为120℃，以除去活性炭中残留的氡气及水分；
[0043]
步骤s2：将烘烤过后的活性炭装满活性炭盒，然后称重得到活性炭的重量(活性炭与+盒总重量减去空盒重量)，记为m；
[0044]
步骤s3：将活性炭盒放置在装有铀矿石的密闭容器中若干天，使活性炭充分吸附氡气，放置时间视容器大小和铀矿石析出氡速率而定，整个过程中应确保容器良好的密闭性以及容器内空气的干燥；
[0045]
步骤s4：活性炭吸附氡气完毕后取出，敞开放置在密封罐中，将密封罐放置在恒温恒湿箱中；
[0046]
步骤s5：用塑料软导管将密封罐2、干燥柱和rad7测氡仪连接成闭合回路，在各接口处涂上复合高温脂以防止漏气；
[0047]
步骤s6：开启恒温恒湿箱，设置温度为某一值，待温度显示达到设置值后，启动
rad7测氡仪，设置为sniff测量模式，周期设置为1h；
[0048]
步骤s7：由于活性炭盒的氡活度正比于γ计数率，因此可用活性炭盒的γ总计数率随时间的变化曲线来表征活性炭氡浓度随时间的变化趋势。观察rad7测氡仪记录的氡浓度数据，当发现氡浓度在至少4个测量周期内基本稳定不变时(即γ总计数率随时间的变化曲线趋于平稳)，可以认为活性炭处于吸附饱和状态，停止rad7测氡仪测量，将稳定后的最后3个数据取平均值作为吸附饱和状态下的空气氡浓度，记为ca；
[0049]
步骤s8：取出活性炭盒并旋紧封盖，静置3.5h后用bh1936能谱仪测量γ总计数率，测量时间设置为300s，扣除本底后的计数率记为n；
[0050]
同时，测得活性炭盒中吸附饱和状态下单位质量活性炭的氡浓度活度值cc(∞)；
[0051]
步骤s9：吸附饱和系数计算表达式为式中η为活性炭盒总计数探测效率因子，可通过已知的实验方法进行校准；cc(∞)为吸附饱和状态下单位质量活性炭的氡活度值；ca为吸附饱和状态下活性炭所暴露的空气氡浓度值；
[0052]
为了减小误差，可以按上述实验步骤在相同条件下进行多次实验，取多次实验结果的平均值作为该条件下活性炭吸附饱和系数ε的测量值。
[0053]
作为本发明的一种具体实施例，实验测定了5次，具体测试结果如表1所示：
[0054]
表1测试结果
[0055]