CN213337492U - 大气环境中Kr-85电制冷取样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种大气环境中Kr‑85电制冷取样装置。该取样装置包括：除杂色谱柱、第一纯化色谱柱、第二纯化色谱柱、分离色谱柱、产品收集色谱柱、第一纯化色谱柱冷腔、第二纯化色谱柱冷腔、分离色谱柱冷腔、产品收集色谱柱冷腔、电制冷机、传导介质储存容器、冷箱、热交换器；所述除杂色谱柱通过管路与所述第一纯化色谱柱相连接；所述第一纯化色谱柱、第二纯化色谱柱、分离色谱柱通过带有阀门的管路依次连接。本实用新型采用电制冷、加热，以及控制传导介质的变化改变传导速率等多种手段相结合的特殊温控方式，研制了大气环境中Kr‑85电制冷取样装置，该取样装置便于自动化，易于实现无人值守的自动化取样，能够较好满足野外监测的取样需求。

Description

大气环境中Kr-85电制冷取样装置

技术领域

本实用新型属于环境监测设备领域，特别涉及一种大气环境中Kr-85电制冷取样装置。

背景技术

Kr-85是惰性气体氪(Kr)的一种人工放射性核素，它的半衰期长达10.73a。随着全球核能的发展，Kr-85在环境中不断累积,其浓度也将变得越来越高。近年来，随着我国核电事业及后处理事业的迅速发展，核工业对环境及公共健康有什么影响，越来越受到政府及公众的关注,环境中Kr-85的监测工作，特别是核设施周边城市大气环境中Kr-85越来越受到重视。

Kr-85取样是大气环境中Kr-85监测的主要组成部分，由于大气环境中Kr-85的浓度较低，约1.14×10^-6L/L，因此在测量前需要从大气环境样品中分离去除氧气、氮气、二氧化碳、水等诸多成分，进而获得纯化的Kr样品。

截至目前，国内外对大气环境中Kr-85取样技术已有一些研究，但大都是在实验室条件下进行，并且取样装置较为庞大，自动化程度也不高，无法满足无人化的监测需求。

实用新型内容

为了解决现有大气环境中Kr-85取样装置存在的上述问题，本实用新型提供了一种大气环境中Kr-85电制冷取样装置。

该取样装置包括：除杂色谱柱、第一纯化色谱柱、第二纯化色谱柱、分离色谱柱、产品收集色谱柱、第一纯化色谱柱冷腔、第二纯化色谱柱冷腔、分离色谱柱冷腔、产品收集色谱柱冷腔、电制冷机、传导介质储存容器、冷箱、热交换器；

所述除杂色谱柱通过管路与所述第一纯化色谱柱相连接；所述第一纯化色谱柱、第二纯化色谱柱、分离色谱柱通过带有阀门的管路依次连接；

所述第一纯化色谱柱位于所述第一纯化色谱柱冷腔内部，所述第一纯化色谱柱冷腔位于所述冷箱内部；

所述第二纯化色谱柱位于所述第二纯化色谱柱冷腔内部，所述第二纯化色谱柱冷腔位于所述冷箱内部；

所述分离色谱柱位于所述分离色谱柱冷腔内部，所述分离色谱柱冷腔位于所述冷箱内部；

所述产品收集色谱柱位于所述产品收集色谱柱冷腔内部，所述产品收集色谱柱冷腔位于所述冷箱内部；

所述传导介质储存容器与所述第一纯化色谱柱冷腔之间，所述传导介质储存容器与所述第二纯化色谱柱冷腔之间，所述传导介质储存容器与所述分离色谱柱冷腔之间，以及所述传导介质储存容器与所述产品收集色谱柱冷腔之间均通过带有阀门的管路相连接；

所述除杂色谱柱、第一纯化色谱柱、第二纯化色谱柱、分离色谱柱、产品收集色谱柱上均设有加热单元；

所述电制冷机的冷头位于所述冷箱内部；

所述第一纯化色谱柱上设有尾气排放管路；

所述除杂色谱柱与所述第一纯化色谱柱相连接的管路，以及所述尾气排放管路均穿过所述热交换器。

根据一个实施例，所述除杂色谱柱采用

分子筛填料。

根据一个实施例，所述分离色谱柱采用

分子筛填料。

根据一个实施例，所述第一纯化色谱柱采用活性炭填料。

根据一个实施例，所述第二纯化色谱柱采用活性炭填料。

根据一个实施例，所述产品收集色谱柱采用活性炭填料。

根据一个实施例，所述第一纯化色谱柱冷腔部分位于所述冷箱外部。

根据一个实施例，所述第二纯化色谱柱冷腔部分位于所述冷箱外部。

根据一个实施例，所述分离色谱柱冷腔部分位于所述冷箱外部。

根据一个实施例，所述产品收集色谱柱冷腔部分位于所述冷箱外部。

根据一个实施例，所述电制冷机的冷头与所述第一纯化色谱柱冷腔之间设有导冷片。

根据一个实施例，所述电制冷机的冷头与所述第二纯化色谱柱冷腔之间设有导冷片。

根据一个实施例，所述电制冷机的冷头与所述分离色谱柱冷腔之间设有导冷片。

根据一个实施例，所述电制冷机的冷头与所述产品收集色谱柱冷腔之间设有导冷片。

根据一个实施例，所述热交换器位于所述冷箱内部。

根据一个实施例，所述除杂色谱柱与所述第一纯化色谱柱相连接的管路穿过所述热交换器的部分为蛇形管路。

根据一个实施例，所述尾气排放管路穿过所述热交换器的部分为蛇形管路。

根据一个实施例，所述取样装置上采用的所有阀门均采用气动电磁阀。

本实用新型在本单位前序研发的Xe取样装置的基础上，针对大气环境中Kr-85的天然本底较Xe更低，Kr-85与空气的分离较Xe更难等特点，采用电制冷、加热，以及控制传导介质的变化改变传导速率等多种手段相结合的特殊温控方式，研制了大气环境中Kr-85电制冷取样装置。该取样装置既利用了电制冷便于自动化的特性，又通过设置传导介质储存容器及冷腔，进而通过控制传导介质的变化适时改变传导速率，能够实现取样装置中多色谱柱的差异化温度控制，显著提高了加热与电制冷温控组合原本较小的温控范围，顺利实现了无人值守的自动化取样，运行过程中仅需电力和少量氦气等消耗品即可，能够较好满足大气环境中 Kr-85野外监测的取样需求。该取样装置维护简单，不需要专业团队即可实现大气环境中 Kr-85的取样，所需人员很少，为核设施周边环境中放射性Kr的长期、广泛监测提供了可行方案。

附图说明

图1为根据本实用新型实施例的大气环境中Kr-85电制冷取样装置示意图。

附图标记：1.除杂色谱柱，2.第一纯化色谱柱，3.第二纯化色谱柱，4.分离色谱柱，5. 产品收集色谱柱，6.第一纯化色谱柱冷腔，7.第二纯化色谱柱冷腔，8.分离色谱柱冷腔，9. 产品收集色谱柱冷腔，10.电制冷机，11.传导介质储存容器，12.冷箱，13.热交换器，14.加热单元，15.冷头，16.尾气排放管路，17.导冷片。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。

在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本实用新型实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

虽然结合附图对本实用新型进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本实用新型的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本实用新型的一种限制。为了清楚地示出各个部件的细节，附图中的各个部件并不是按比例绘制的，所以附图中的各个部件的比例也不应作为一种限制。

本实用新型的大气环境中Kr-85电制冷取样装置包括：除杂色谱柱1、第一纯化色谱柱2、第二纯化色谱柱3、分离色谱柱4、产品收集色谱柱5、第一纯化色谱柱冷腔6、第二纯化色谱柱冷腔7、分离色谱柱冷腔8、产品收集色谱柱冷腔9、电制冷机10、传导介质储存容器11、冷箱12、热交换器13；所述除杂色谱柱1通过管路与所述第一纯化色谱柱2相连接；所述第一纯化色谱柱2、第二纯化色谱柱3、分离色谱柱4通过带有阀门的管路依次连接；所述第一纯化色谱柱2位于所述第一纯化色谱柱冷腔6内部，所述第一纯化色谱柱冷腔6位于所述冷箱12内部；所述第二纯化色谱柱3位于所述第二纯化色谱柱冷腔7内部，所述第二纯化色谱柱冷腔7位于所述冷箱12内部；所述分离色谱柱4位于所述分离色谱柱冷腔8内部，所述分离色谱柱冷腔8位于所述冷箱12内部；所述产品收集色谱柱5位于所述产品收集色谱柱冷腔9内部，所述产品收集色谱柱冷腔9位于所述冷箱12内部；所述传导介质储存容器 11与所述第一纯化色谱柱冷腔6之间，所述传导介质储存容器11与所述第二纯化色谱柱冷腔7之间，所述传导介质储存容器11与所述分离色谱柱冷腔8之间，以及所述传导介质储存容器11与所述产品收集色谱柱冷腔9之间均通过带有阀门的管路相连接；所述除杂色谱柱1、第一纯化色谱柱2、第二纯化色谱柱3、分离色谱柱4、产品收集色谱柱5上均设有加热单元；所述电制冷机10的冷头15位于所述冷箱12内部；所述第一纯化色谱柱2上设有尾气排放管路16；所述除杂色谱柱1与所述第一纯化色谱柱2相连接的管路，以及所述尾气排放管路16 均穿过所述热交换器13。

由于大气环境中Kr-85取样需要的温度较低，冷量较大，因此以往的研究主要采用液氮冷却，但是液氮存储、补充会带来较多维护问题，不利于自动化的实现，装置体积也难以小型化。而电制冷机10的体积小，可提供低于液氮的低温环境，但由于大气环境中Kr-85取样需要在多个色谱柱上获得大温差的差异化温度并进行适时调节，因此对电制冷机10的采用形成制约。为此，本实用新型设置了传导介质储存容器11及冷腔，通过控制传导介质储存容器 11中的传导介质(如氦气)通入或排出冷腔的方式适时改变传导速率，改变冷量传递至相应色谱柱的速率，配合以加热单元的受控加热，顺利实现了不同色谱柱大温差的差异化温度控制，奠定了本实用新型取样装置的实现基础。

根据一个示例，所述除杂色谱柱1采用

分子筛填料。

根据一个示例，所述分离色谱柱4采用

分子筛填料。

根据一个示例，所述第一纯化色谱柱2采用活性炭填料。

根据一个示例，所述第二纯化色谱柱3采用活性炭填料。

根据一个示例，所述产品收集色谱柱5采用活性炭填料。

根据一个示例，所述第一纯化色谱柱冷腔6部分位于所述冷箱12外部，可以在不破坏冷箱12内部真空的情况下，对第一纯化色谱柱2进行操作，便于维护。

根据一个示例，所述第二纯化色谱柱冷腔7部分位于所述冷箱12外部，可以在不破坏冷箱12内部真空的情况下，对第二纯化色谱柱3进行操作，便于维护。

根据一个示例，所述分离色谱柱冷腔8部分位于所述冷箱12外部，可以在不破坏冷箱 12内部真空的情况下，对分离色谱柱4进行操作，便于维护。

根据一个示例，所述产品收集色谱柱冷腔9部分位于所述冷箱12外部，可以在不破坏冷箱12内部真空的情况下，对产品收集色谱柱5进行操作，便于维护。

根据一个示例，所述电制冷机10的冷头15与所述第一纯化色谱柱冷腔6之间设有导冷片17，用于提高二者间的传到效果。

进一步地，所述导冷片17为铜导冷片。

根据一个示例，所述电制冷机10的冷头15与所述第二纯化色谱柱冷腔7之间设有导冷片17，用于提高二者间的传到效果。

进一步地，所述导冷片17为铜导冷片。

根据一个示例，所述电制冷机10的冷头15与所述分离色谱柱冷腔8之间设有导冷片17，用于提高二者间的传到效果。

进一步地，所述导冷片17为铜导冷片。

根据一个示例，所述电制冷机10的冷头15与所述产品收集色谱柱冷腔9之间设有导冷片17，用于提高二者间的传到效果。

进一步地，所述导冷片17为铜导冷片。

根据一个示例，所述热交换器13位于所述冷箱12内部，以进一步降低空气样品的温度。

根据一个示例，所述除杂色谱柱1与所述第一纯化色谱柱2相连接的管路穿过所述热交换器13的部分为蛇形管路，以提高热交换效果。

根据一个示例，所述尾气排放管路16穿过所述热交换器13的部分为蛇形管路，以提高热交换效果。

根据一个示例，所述取样装置上采用的所有阀门均采用气动电磁阀，用于实现自动化控制。

采用本实用新型的取样装置对某地大气环境中的Kr-85进行取样，具体操作如下：

(一)对冷箱12抽真空，至冷箱12真空度小于50Pa。开启制冷机，控制制冷机冷头15不过分升温。

(二)对第一纯化色谱柱冷腔6、第二纯化色谱柱冷腔7、分离色谱柱冷腔8、产品收集色谱柱冷腔9抽真空。开启相应抽真空阀门，对除杂色谱柱1(

分子筛填料)、第一纯化色谱柱2(活性炭填料)抽真空，同时加热到300℃左右并持续3h进行活化；然后停止加热，持续抽真空至室温，关闭相应抽真空阀门。将第二纯化色谱柱3(活性炭填料)、分离色谱柱4(

分子筛填料)、产品收集色谱柱5(活性炭填料)加热到300℃左右，开启相应阀门，通流量为260mL/min的高纯氦对第二纯化色谱柱3、分离色谱柱4、产品收集色谱柱 5持续流洗3h进行活化；然后停止加热，持续流洗至室温，关闭相应阀门。对除杂色谱柱1、第一纯化色谱柱2、第二纯化色谱柱3、分离色谱柱4、产品收集色谱柱5充高纯氦气保护。

(三)待制冷机冷头15温度降至-170℃以下，由传导介质储存容器11向第一纯化色谱柱冷腔6通入氦气(至150kPa)，通过控制相应加热单元的加热使第一纯化色谱柱2温度恒定在-170℃左右。打开相应阀门进行空气取样，取样速度为15L/min，空气样品经除杂色谱柱1除去水蒸气、二氧化碳等杂质气体，经热交换器13换热，然后进入第一纯化色谱柱2 对氧气、氮气进行分离，分离的氧气、氮气经热交换器13换热后经由尾气排放管路16排出，共取空气样品2000L。取样结束后，通过控制相应加热单元的加热使第一纯化色谱柱2温度升到-100℃，对第一纯化色谱柱2抽真空，以进一步去除吸附的氧气、氮气，之后第一纯化色谱柱2吸附有Kr及少量剩余的氧气、氮气。

(四)对第一纯化色谱柱冷腔6抽真空排出其内部氦气，由传导介质储存容器11向第二纯化色谱柱冷腔7通入氦气(至150kPa)。开启相应阀门使第一纯化色谱柱2与第二纯化色谱柱3相连通，通过控制相应加热单元的加热使第二纯化色谱柱3温度恒定在-170℃左右。然后加热第一纯化色谱柱2至200℃左右，恒温。通流量为500mL/min的高纯氦对第一纯化色谱柱2持续流洗20min后，停止对第一纯化色谱柱2加热，完成从第一纯化色谱柱2到第二纯化色谱柱3的气体转移。

(五)通过控制相应加热单元的加热使第二纯化色谱柱3温度升至-100℃左右，通流量为100mL/min的高纯氦对第二纯化色谱柱3持续流洗10min，完成对吸附的氧气、氮气的第二次去除。

(六)对第二纯化色谱柱冷腔7抽真空排出其内部氦气，由传导介质储存容器11向分离色谱柱冷腔8、产品收集色谱柱冷腔9通入氦气(至150kPa)。开启相应阀门使第二纯化色谱柱3、分离色谱柱4相连通，通过控制相应加热单元的加热使分离色谱柱4温度恒定在-80℃左右，产品收集色谱柱5温度恒定在-170℃至-150℃。然后加热第二纯化色谱柱3至200℃左右，恒温，通流量小于260mL/min的高纯氦对第二纯化色谱柱3、分离色谱柱4进行流洗，令第二纯化色谱柱3上的气体被释放，并经由分离色谱柱4对Kr、氧气、氮气进行彻底的色谱分离。

(七)以产品收集色谱柱5收集Kr，完成Kr-85的取样。其中，Kr的监测可以采用热导池检测器。

按照上述步骤，48h内即可完成对环境大气中Kr-85的一次取样，空气样品中Kr的回收率大于70％。

虽然根据本实用新型总体构思的一些实施例已被显示和说明，然而，本领域普通技术人员应理解，在不背离本实用新型的总体构思的原则和精神的情况下，可以对这些实施例做出改变，本实用新型的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (10)

1.一种大气环境中Kr-85电制冷取样装置，其特征在于该取样装置包括：除杂色谱柱、第一纯化色谱柱、第二纯化色谱柱、分离色谱柱、产品收集色谱柱、第一纯化色谱柱冷腔、第二纯化色谱柱冷腔、分离色谱柱冷腔、产品收集色谱柱冷腔、电制冷机、传导介质储存容器、冷箱、热交换器；

所述除杂色谱柱通过管路与所述第一纯化色谱柱相连接；所述第一纯化色谱柱、第二纯化色谱柱、分离色谱柱通过带有阀门的管路依次连接；

所述第一纯化色谱柱位于所述第一纯化色谱柱冷腔内部，所述第一纯化色谱柱冷腔位于所述冷箱内部；

所述第二纯化色谱柱位于所述第二纯化色谱柱冷腔内部，所述第二纯化色谱柱冷腔位于所述冷箱内部；

所述分离色谱柱位于所述分离色谱柱冷腔内部，所述分离色谱柱冷腔位于所述冷箱内部；

所述产品收集色谱柱位于所述产品收集色谱柱冷腔内部，所述产品收集色谱柱冷腔位于所述冷箱内部；

所述传导介质储存容器与所述第一纯化色谱柱冷腔之间，所述传导介质储存容器与所述第二纯化色谱柱冷腔之间，所述传导介质储存容器与所述分离色谱柱冷腔之间，以及所述传导介质储存容器与所述产品收集色谱柱冷腔之间均通过带有阀门的管路相连接；

所述除杂色谱柱、第一纯化色谱柱、第二纯化色谱柱、分离色谱柱、产品收集色谱柱上均设有加热单元；

所述电制冷机的冷头位于所述冷箱内部；

所述第一纯化色谱柱上设有尾气排放管路；

所述除杂色谱柱与所述第一纯化色谱柱相连接的管路，以及所述尾气排放管路均穿过所述热交换器。

2.根据权利要求1所述的大气环境中Kr-85电制冷取样装置，其特征在于：所述除杂色谱柱采用

分子筛填料。

3.根据权利要求1所述的大气环境中Kr-85电制冷取样装置，其特征在于：所述分离色谱柱采用

分子筛填料。

4.根据权利要求1所述的大气环境中Kr-85电制冷取样装置，其特征在于：所述第一纯化色谱柱、第二纯化色谱柱均采用活性炭填料。

5.根据权利要求1所述的大气环境中Kr-85电制冷取样装置，其特征在于：所述产品收集色谱柱采用活性炭填料。

6.根据权利要求1-5任一项所述的大气环境中Kr-85电制冷取样装置，其特征在于：所述第一纯化色谱柱冷腔部分位于所述冷箱外部；所述第二纯化色谱柱冷腔部分位于所述冷箱外部；所述分离色谱柱冷腔部分位于所述冷箱外部；所述产品收集色谱柱冷腔部分位于所述冷箱外部。

7.根据权利要求1-5任一项所述的大气环境中Kr-85电制冷取样装置，其特征在于：所述电制冷机的冷头与所述第一纯化色谱柱冷腔之间设有导冷片；所述电制冷机的冷头与所述第二纯化色谱柱冷腔之间设有导冷片；所述电制冷机的冷头与所述分离色谱柱冷腔之间设有导冷片；所述电制冷机的冷头与所述产品收集色谱柱冷腔之间设有导冷片。

8.根据权利要求1-5任一项所述的大气环境中Kr-85电制冷取样装置，其特征在于：所述热交换器位于所述冷箱内部。

9.根据权利要求1-5任一项所述的大气环境中Kr-85电制冷取样装置，其特征在于：所述除杂色谱柱与所述第一纯化色谱柱相连接的管路穿过所述热交换器的部分为蛇形管路；所述尾气排放管路穿过所述热交换器的部分为蛇形管路。

10.根据权利要求1-5任一项所述的大气环境中Kr-85电制冷取样装置，其特征在于：所述取样装置上采用的所有阀门均采用气动电磁阀。

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