CN102489108B - 一种用活性炭分离纯化大气中氙的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用活性炭分离纯化大气中氙的方法和装置，用活性炭将空气中的氙气吸附下来，利用不同物质在活性炭上的脱附温度差异，收集氙脱附时间段的气体，对二氧化碳、氡等杂质气体进行分离，通过四级吸附柱逐级富集纯化，将气体浓缩收集到小体积的容器中。本发明利用氙和杂质气体在活性炭吸附柱上脱附温度的不同进行分离纯化，吸附、分离、纯化均在活性炭柱上进行，减少了单独的除杂装置，方法简单；可监测核电站、核反应堆、核废物处理、医疗设施泄漏，放射性氙同位素的释放等，用于大气核环境监测。

Description

一种用活性炭分离纯化大气中氙的方法和装置

技术领域

本发明涉及稀有气体的分离纯化，以活性炭为吸附剂填充吸附柱，大气中的氙、氡和二氧化碳等物质被吸附在活性炭吸附柱内，利用不同物质在活性炭上脱附温度的不同，控制不同加热速率去除二氧化碳、氡等杂质气体，实现氙的分离纯化，为环境监测提供技术服务。

背景技术

空气中稳定氙的浓度很低，全球平均为约8.7×10^-8(v/v)，测量和收集比较困难。文献检索披露：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，导入可分离的精馏系统中，经高压塔、低压塔、蒸发器等装置提取氪或氙气的浓缩物。此方法采用低温精馏的方式，利用氪、氙沸点的不同实现氪、氙的获取，该方法所需的成本高、能耗大，设备复杂，仅适合于工业的大规模生产。

中国人民解放军63653部队冯淑娟等人发明号为201010196384.0《一种碳分子筛用于氡和氙的分离方法》的专利，利用碳分子筛富集浓度为20-200ppm的氙标准气体和活度为40×10⁴-80×10⁴Bq/m³的氡气体，经过13X分子筛去除水份后进入碳分子筛吸附床吸附，加热解吸后再次流经13X分子筛吸附床，将氙、氡分别吸附在串联的碳分子筛吸附床上，实现氙、氡的分离。该方法采用的氙、氡气体是浓度较高的标准气体，不能直接处理气体组分复杂的空气样品；分离装置使用了五级吸附柱、两种吸附材料，增加了装置的复杂性和操作难度；碳分子筛在使用前的活化处理需要时间长、操作条件复杂。

中国人民解放军63653部队周崇阳等人发明号为201010196270.6《一种活性炭用于氙气的富集方法》的专利，利用活性炭吸附氙气浓度为10-1000ppm、流量为30-200cm³/分钟的气体，实现氙的富集。此方法是对氙浓度远远高于空气中氙浓度的标准气体进行吸附，不含有杂质气体。

发明内容

本发明提出了一种活性炭用于分离纯化大气中氙的方法和装置，用活性炭将空气中的氙气吸附下来，利用不同物质在活性炭上的脱附温度差异，收集氙脱附时间段的气体，对二氧化碳、氡等杂质气体进行分离，通过四级吸附柱逐级富集纯化，将气体浓缩收集到小体积的容器中。可监测核电站、核反应堆、核废物处理、医疗设施泄漏，放射性氙同位素的释放等，用于大气核环境监测。

本发明的解决方案为：

一种用活性炭分离纯化大气中氙的方法，包括以下步骤

1】空气预处理：

将除尘后的空气进行压缩和干燥处理；

2】四级级联工作的活性炭吸附柱逐级对氙分离纯化，每级活性炭吸附柱均按照步骤2.1～2.3进行吸附和脱附：

2.1]活性炭吸附柱对压缩空气吸附；

2.2]活性炭吸附柱加热保温；

2.3]根据脱附曲线，选择氙脱附的最佳温度和时间参数，将气体脱附转移；所述脱附曲线通过以下方式获得：抽样监测活性炭吸附柱中流出气体的浓度，获得氙、二氧化碳、氡在该级活性炭吸附柱上随温度和时间变化的脱附曲线；

3】样品收集：

将最后一级活性炭吸附柱脱附出来的氙随载气转移到样品收集瓶，完成收集。

上述一级吸附柱脱附曲线为：空气流量为100L/min，110℃前用50～500mL/min的载气吹扫，继续加热200℃并保持30min的过程中向二级吸附柱转吸；上述二级吸附柱脱附曲线为：载气吹扫，流量为20～100mL/min，加热到80℃保持5min后向三级吸附柱转吸，加热到160℃保持10min后停止；上述三级吸附柱脱附曲线为：载气吹扫，流量为5～50mL/min，加热到50℃向四级吸附柱转吸，加热到160℃保持5min后停止；上述四级吸附柱脱附曲线为：加热到200℃后用钢瓶收集。

一种用活性炭分离纯化大气中氙的装置，包括压缩空气源、四级级联工作的活性炭吸附柱、样品收集瓶、载气钢瓶，所述压缩空气源与第一级活性炭吸附柱的进气端管道连接，所述载气钢瓶通过管道和阀门与每级活性炭吸附柱的进气端连接，其特殊之处是：所述每级活性炭吸附柱均设置有吸附柱加热装置和温度控制器，所述每级活性炭吸附柱的出气端均通过阀门与各自的样品收集瓶相连。

上述活性炭为14～25目椰壳活性炭。

上述第一级活性炭吸附柱长500～1000mm、内径50mm；所述第二级活性炭吸附柱长200～400mm、内径20mm；所述第三级活性炭吸附柱长150～300mm、内径10mm；所述第四级活性炭吸附柱长80～150mm、内径4.6mm。

上述载气钢瓶的载气为氮气或氦气。

本发明的优点是：

1、本发明利用氙和杂质气体在活性炭吸附柱上脱附温度的不同进行分离纯化，吸附、分离、纯化均在活性炭柱上进行，减少了单独的除杂装置，方法简单。

2、本发明采用四级活性炭吸附柱进行吸附、脱附，获得了氙、二氧化碳、氡在各级吸附柱上的脱附曲线，按照脱附曲线逐级浓缩空气中的氙并去除其它杂质，该思想可拓展到其它类型设备的设计。

3、本发明采用的方法和装置对空气中体积分数为8.7×10^-8的氙进行富集纯化，将空气中的氙浓度提高5～6个量级，氡的去污因子达到10⁵以上。

4、本发明仅使用14~25目的椰壳活性炭一种吸附剂，吸附柱为装填活性炭的两端带法兰的钢管，材质为不锈钢，操作条件简单。

5、本发明对活性炭的再生温度为200℃，不使用过高的再生温度，降低了对装置的要求。

附图说明

图1是活性炭分离纯化大气中氙的方法流程图；

图2是一级吸附柱脱附曲线图；

图3是二级吸附柱脱附曲线图；

图4是三级吸附柱脱附曲线图；

其中：1-空气压缩机，2-干燥机，3-一级吸附柱，4-二级吸附柱，5-三级吸附柱，6-四级吸附柱，7-样品收集瓶，8-气体质量流量控制器，9-载气钢瓶。

具体实施方式

按照图1所示的连接关系，建立活性炭分离纯化大气中氙的实验装置。

本发明活性炭用于分离纯化大气中氙的方法和装置，利用四级活性炭吸附柱对气体进行吸附脱附，控制活性炭吸附柱的温度，利用不同物质的脱附温度差异，实现氙、二氧化碳和氡的分离。最终获得的样品中二氧化碳浓度低于50ppm，氡的去污因子达到10⁵。

其中：装置由装填活性炭的四种不同尺寸的吸附柱、加热器、温度控制器、载气钢瓶、气体质量流量控制器和样品收集瓶等构成。选用14～25目的椰壳活性炭作为吸附剂，载气为氦气或氮气，吸附柱为装填活性炭的两端带法兰的钢管，材质为不锈钢。使用的原料气是空气，氙的体积分数为8.7×10^-8，含有二氧化碳、氡、水蒸汽等杂质气体。用气相色谱间隔4～5min检测吸附柱流出气体中的氙浓度。用二氧化碳测量仪连续测量脱附气体中的二氧化碳浓度。用便携式测氡仪间隔20～30min测量脱附气体中的氡浓度。

一级吸附柱长500～1000mm、内径50mm，可用2根500mm长的串连；二级吸附柱长200～400mm、内径20mm；三级吸附柱长150～300mm、内径10mm；四级吸附柱长80～150mm、内径4.6mm；装填14~25目椰壳活性炭。载气为氦气。

空气流量为100L/min，使用一级吸附柱对空气中的氙(浓度为8.7×10^-8)进行采集。取样结束后，对一级吸附柱加热脱附，加热到110℃前用50～500mL/min的氦气吹扫，继续加热200℃并保持30min的过程中向二级吸附柱转吸，实现氙的初步分离；转吸完成后二级吸附柱开始加热并吹扫氦气，流量为20～100mL/min，加热到80℃保持5min后向三级吸附柱转吸，加热到160℃保持10min后停止，实现氙的进一步纯化；转吸完成后三级吸附柱开始加热并用氦气吹扫，流量为5～50mL/min，加热到50℃向四级吸附柱转吸，加热到160℃保持5min后停止，实现氙的进一步纯化；转吸完成后对四级吸附柱加热到200℃后用钢瓶收集，测量样品中氙、二氧化碳和氡的浓度。

如图1所示，在一级吸附柱由110℃加热到200℃并保持40min的过程中，氙可以完全脱附，氙、二氧化碳和氡呈现出不同的脱附曲线。控制合适的温度时段将脱附气体向二级吸附柱转移，就能除去大部分二氧化碳和氡。

一级吸附柱加热过程中，用流量200mLmin的氦气载带，记录取样时间和加热温度，间隔15min用样品收集瓶取样，用气相色谱、二氧化碳测量仪和便携式测氡仪测量钢瓶中的氙、二氧化碳和氡浓度，获得一级吸附柱脱附曲线图，见图2。

随着二级吸附柱温度的升高，二氧化碳的浓度逐渐降低，氙和氡的浓度先增大后降低，但氙的脱附温度比氡的脱附温度低。控制合适的温度时段将脱附气体向三级吸附柱转移，就能除去大部分二氧化碳和氡。二级吸附柱加热过程中，用50mL/min的氦气载带，记录取样时间和加热温度，间隔5min用样品收集瓶取样，用气相色谱、二氧化碳测量仪和便携式测氡仪测量钢瓶中的氙、二氧化碳和氡的浓度，获得二级吸附柱脱附曲线图，见图3。

随着三级吸附柱温度的升高，氙完全脱附，二氧化碳的浓度逐渐降低，温度为50℃保持10min后，二氧化碳的浓度下降很快；氡在110℃开始脱附，其浓度随着加热温度的升高先增大后减小。控制合适的温度时段将脱附气体向四级吸附柱转移，就能除去大部分二氧化碳和氡。三级吸附柱加热过程中，用20mL/min的氦气载带，记录取样时间和加热温度，用气相色谱、二氧化碳测量仪和便携式测氡仪测量样品收集瓶中的氙、二氧化碳和氡的浓度，获得三级吸附柱脱附曲线图，见图4。

本发明操作步骤：

(1)开启空压机、干燥机和阀门1，当露点低于-40℃后关闭阀门1。

(2)设质量流量控制器8a流量为100L/min，开启阀门2、阀门4和质量流量控制器8a，一级吸附柱开始取样富集，用钢瓶7a间隔5min收集一次8a后的流出气体，用气相色谱测量钢瓶中的氙浓度，当流出气体中氙浓度与空气中氙浓度一致时停止取样，关闭空压机、干燥机、阀门2、阀门4和质量流量控制器8a。

(3)设质量流量控制器8b流量为200mL/min，开启一级吸附柱的加热器、阀门3、阀门6和质量流量控制器8b，用钢瓶7a间隔15min收集流出气体，用气相色谱、二氧化碳测量仪和测氡仪测量其中的氙、二氧化碳和氡浓度。

(4)利用一级吸附柱脱附曲线，选择氙脱附时间段的气体向二级吸附柱转吸，关闭阀门3，开启阀门5、阀门9，让一级吸附柱上的脱附气体转移吸附到二级吸附柱上。转吸结束后，关闭阀门6、阀门5、阀门9。

(5)设质量流量控制器8b流量为50mL/min，开启二级吸附柱的加热器、阀门7、阀门8和质量流量控制器8b，用钢瓶7b间隔5min收集流出气体，用气相色谱、二氧化碳测量仪和测氡仪测量其中的氙、二氧化碳和氡浓度。

(6)利用二级吸附柱脱附曲线，选择氙脱附时间段的气体向三级吸附柱转吸，关闭阀门8，开启阀门10、阀门13，让二级吸附柱上的脱附气体转移吸附到三级吸附柱上。转吸结束后，关闭阀门7、阀门10、阀门13。

(7)设质量流量控制器8b流量为20mL/min，开启三级吸附柱的加热器、阀门11、阀门12，用钢瓶7c间隔2min收集流出气体，用气相色谱、二氧化碳测量仪和测氡仪测量其中的氙、二氧化碳和氡的浓度。

(8)利用三级吸附柱脱附曲线，选择氙脱附时间段的气体向四级吸附柱转吸，关闭阀门12，开启阀门14、阀门16，让三级吸附柱上的脱附气体转移吸附到四级吸附柱上。转吸结束后，关闭阀门11、阀门14、阀门16。

(9)对四级吸附柱加热脱附，开启阀门17用样品收集瓶7d收集脱附气体。关闭阀门17，开启阀门16，通入少量载气，再关闭阀门16，开启阀门17，重复这一过程，使脱附下来的气体完全转移到样品收集瓶7d中。

对样品收集瓶7d中浓缩的氙气样品进行氙、二氧化碳和氡的浓度，计算氙的回收效率和氡的去除因子。也可以进行放射性氙同位素测量和总氙浓度测量，得到样品中氙同位素的放射性活度和总氙量，进而计算出所取环境空气中放射性氙同位素的活度浓度。

样品收集瓶为容积50ml的钢瓶，样品中氙的浓度约6％(v/v)，样品中CO₂的浓度＜4×10^-5(v/v)，获取总氙量约3ml(标况)，有效空气取样体积约34m³，对氙的富集倍数约6.9×10⁵。

本发明采用的活性炭吸附富集大气中氙的方法和装置，仅使用一种吸附材料活性炭对空气中的氙等气体进行吸附，利用不同气体在活性炭上脱附温度的不同，采用四级吸附柱实现氙与杂质气体的分离，达到富集、纯化的目的，没有其它的除杂装置。此方法和装置简单可行，降低了装置的复杂性。既可用于核反应堆、核电站等场所的氙的富集纯化，也可为环境监测、化工生产及生态保护提供新的技术手段及措施。

本方法已被用于研制固定式台站大气氙取样器、可移动的分体式大气氙取样器和可移动的大气放射性核素监测站，服务于大气核环境的监测研究和禁核试核素核查研究。

Claims (3)

1.一种用活性炭分离纯化大气中氙的方法，其特征在于：包括以下步骤

1】空气预处理：

将除尘后的空气进行压缩和干燥处理；

2】四级级联工作的活性炭吸附柱逐级对氙分离纯化，每级活性炭吸附柱均按照步骤2.1～2.3进行吸附和脱附：

2.1]活性炭吸附柱对压缩空气吸附；

2.2]活性炭吸附柱加热保温；

2.3]根据脱附曲线，选择氙脱附的最佳温度和时间参数，将气体脱附转移；所述脱附曲线通过以下方式获得：抽样监测活性炭吸附柱中流出气体的浓度，获得氙、二氧化碳、氡在该级活性炭吸附柱上随温度和时间变化的脱附曲线；

一级吸附柱脱附曲线为：空气流量为100L/min，110℃前用50～500mL/min的载气吹扫，继续加热200℃并保持30min的过程中向二级吸附柱转吸；

二级吸附柱脱附曲线为：载气吹扫，流量为20～100mL/min，加热到80℃保持5min后向三级吸附柱转吸，加热到160℃保持10min后停止；

三级吸附柱脱附曲线为：载气吹扫，流量为5～50mL/min，加热到50℃向四级吸附柱转吸，加热到160℃保持5min后停止；

四级吸附柱脱附曲线为：加热到200℃后用钢瓶收集；

3】样品收集：

将最后一级活性炭吸附柱脱附出来的氙随载气转移到样品收集瓶，完成收集。

2.一种用活性炭分离纯化大气中氙的装置，包括压缩空气源、四级级联工作的活性炭吸附柱、样品收集瓶、载气钢瓶，所述压缩空气源与第一级活性炭吸附柱的进气端管道连接，所述载气钢瓶通过管道和阀门与每级活性炭吸附柱的进气端连接，

其特征在于：每级活性炭吸附柱均设置有吸附柱加热装置和温度控制器，每级活性炭吸附柱的出气端均通过阀门与各自的样品收集瓶相连，所用活性炭为14～25目椰壳活性炭，第一级活性炭吸附柱长500～1000mm、内径50mm；第二级活性炭吸附柱长200～400mm、内径20mm；第三级活性炭吸附柱长150～300mm、内径10mm；第四级活性炭吸附柱长80～150mm、内径4.6mm。

3.根据权利要求2所述的用活性炭分离纯化大气中氙的装置，其特征在于：所述载气钢瓶的载气为氮气或氦气。

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