專利名稱：一種大氣中氙的低溫富集取樣方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于核環(huán)境監(jiān)測方法，具體涉及大氣中稀有氣體氙的富集分離。
背景技術(shù)：
放射性核素監(jiān)測技術(shù)是全面禁止核試驗條約(CTBT)規(guī)定的四種核查關(guān)鍵技術(shù)之一。核活動產(chǎn)生和釋放的特征放射性核素在CTBT核查中對可疑事件的定性識別起著決定性的作用，針對這些核素的取樣分析技術(shù)一直是放射性核素監(jiān)測技術(shù)研究的重點。國際放射性核素監(jiān)測系統(tǒng)中感興趣的放射性稀有氣體是放射性氙同位素(主要包括131mXe, 13a"Xe， 133Xe, 1MXe)。空氣中稀有氣體氙的體積分?jǐn)?shù)為8. 7X10—8 (ν/ν)，其中放射性氙同位素的含量更低，難以直接分析。放射性氣體氙取樣是從環(huán)境大氣中分離富集氙同位素，并使其達(dá)到總氙分析儀器的定量檢測靈敏度及放射性測量儀器對放射性氙同位素含量的要求，因此必須從大量的空氣中(大于IOm3)將氙濃縮到一個很小的體積(幾到幾百ml)。文獻(xiàn)檢索信息中國人民解放軍63653部隊周崇陽等人的發(fā)明，號為 CN201728039U《一種富集氣體氙的分離裝置》的專利，采用一級5A分子篩除雜柱、一級活性炭吸附柱、二級5A分子篩加活性炭除雜柱、二級活性炭吸附柱、三級5A分子篩加活性炭除雜柱、三級活性炭吸附柱來富集分離氙，總共使用了 6個吸附柱，涉及2種各2個規(guī)格的吸附劑，且不能實現(xiàn)連續(xù)取樣。周崇陽等人的另一發(fā)明，號為CN 101985080 A《一種活性炭用于氙氣的富集分離方法》的專利，僅能處理濃度為10 IOOOppm的氙標(biāo)準(zhǔn)氣體，不能直接從空氣中取樣。瑞典A. Ringbom等在期刊“Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A”第 508 期(2003 年)上發(fā)表的題為“SAUNA-a system for automatic sampling, processing, and analysis of radioactive xenon，，白勺文$，4A 分子篩吸附柱和活性炭吸附柱進(jìn)行富集，后續(xù)串連4A分子篩吸附柱、活性炭吸附柱、3A分子篩吸附柱、5A分子篩吸附柱、5A分子篩色譜柱、碳分子篩吸附柱來分離純化氙，總共使用了 8級吸附柱，涉及3A、4A、5A分子篩、碳分子篩、活性炭等5種吸附劑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種大氣中氙的低溫富集取樣方法和裝置，其在低溫條件下將空氣中的氙富集，共使用4級吸附柱實現(xiàn)氙的富集濃縮并同時去除其它雜質(zhì)，吸附劑僅使用活性炭一種，能連續(xù)取樣，結(jié)構(gòu)簡單，方法簡便，取樣量大。一種大氣中氙的低溫富集取樣方法，包括以下步驟1低溫吸附高溫脫附采用第一級活性炭吸附脫附單元在低溫下濃縮空氣中的氙并去除其它雜質(zhì)，吸附溫度為-70 _40°C，脫附溫度為50 200°C ；2三級常溫吸附高溫脫附采用三只級聯(lián)的活性炭吸附脫附單元在常溫下逐級濃縮空氣中的氙并去除其它雜質(zhì)，吸附溫度為10 30°C，脫附溫度為50 200°C ；3樣品收集最后一級吸附柱脫附出來的氙經(jīng)隔膜增壓至樣品瓶，完成收集。上述步驟還包括在富集濃縮取樣前先對各級吸附柱內(nèi)裝填的活性炭吸附劑進(jìn)行加熱活化。上述第一級吸附脫附單元為兩套并聯(lián)的活性炭吸附柱，所述兩套并聯(lián)的活性炭吸附柱通過閥門實現(xiàn)交替吸附和脫附。一種大氣中氙的低溫富集取樣裝置，包括壓縮空氣源、四級級聯(lián)工作的吸附脫附單元、樣品收集瓶、載氣源、真空泵，所述每級吸附脫附單元包括活性炭吸附柱及設(shè)置在活性炭吸附柱外圍的吸附柱加熱裝置，所述壓縮空氣源與第一級吸附脫附單元的進(jìn)氣端管道連接，所述最后一級吸附脫附單元的出氣端經(jīng)過隔膜增壓泵與樣品收集瓶管道連接，所述載氣源通過管道和閥門與四級吸附脫附單元的進(jìn)氣端連接，所述真空泵通過真空管道和閥門與四級吸附脫附單元的出氣端連接，其特殊之處是所述壓縮空氣源與第一級吸附脫附單元之間設(shè)置有氣體冷卻器；所述第一級吸附脫附單元包括兩只并聯(lián)且交替吸附脫附的活性炭吸附柱。上述活性炭為14 25目椰殼活性炭；所述載氣源的載氣為氮氣或氦氣。本發(fā)明的優(yōu)點是1、空氣經(jīng)干燥、冷卻處理，溫度降至低于-70°C，直接上柱吸附，柱溫在-70 -40°C，在低溫下富集氙，吸附柱體積小，取樣量大。2、使用總共4級活性炭吸附柱逐級濃縮空氣中的氙并去除其它雜質(zhì)，后三級活性炭柱吸附氙均在常溫下(10 30°c )進(jìn)行，僅使用一種吸附劑并且只有一級不在常溫下吸附，降低了方法的復(fù)雜性和實現(xiàn)難度。3、使用兩套并行的一級吸附柱Cal和Cbl交替取樣，使取樣過程連續(xù)不間斷，適用于大氣環(huán)境的長期監(jiān)測，所取樣品的代表性強，沒有時間空窗。4、本發(fā)明對氙的富集因子大于5X106，氡的去污因子大于1X105，可將有效取樣體積大于IOOm3空氣中的氙(體積分?jǐn)?shù)8.7X 10_8)，分離富集為體積20ml的樣品(氙濃度大于40%)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過總氙測量和放射性氙同位素測量對樣品的要求，特別適用于空氣中放射性氙同位素含量極低的環(huán)境監(jiān)測。5、本發(fā)明不僅適用于大氣核環(huán)境監(jiān)測，同樣適用于氙氣的小規(guī)模生產(chǎn)。6、本發(fā)明采用的連續(xù)不間斷取樣和四級吸附柱逐級濃縮的思想，可拓展到其它類型氣體取樣器的設(shè)計。


圖1是低溫富集大氣中氙的連續(xù)取樣裝置的結(jié)構(gòu)原理圖；如圖所示1-空壓機(jī)，2-干燥機(jī)，3-氣體冷卻器，4-隔膜泵，5-真空泵，6_載氣鋼瓶，7-樣品收集瓶，RH-氣體露點儀，MFC-氣體質(zhì)量流量控制器，T-溫度傳感器，V-閥門， P-壓力變送器，C-吸附柱。
具體實施方式
本發(fā)明裝置工作過程空氣經(jīng)干燥、冷卻處理，露點小于_40°C Td，溫度降至低于_70°C，直接上柱吸附， 柱溫在-70 -40°C ；使用總共4級活性炭吸附柱逐級濃縮空氣中的氙并去除其它雜質(zhì)，后三級活性炭柱對氙均在常溫下進(jìn)行吸附，所有吸附柱對氙均在高溫下(50 200°C)進(jìn)行脫附；使用兩套并行的一級吸附柱Cal和Cbl交替取樣，Cal吸附飽和后切換Cbl進(jìn)行吸附， 同時Cal進(jìn)行脫附和再生，Cbl吸附飽和后再切換Cal進(jìn)行吸附，同時Cbl進(jìn)行脫附和再生， 反復(fù)進(jìn)行，保證一級吸附過程的連續(xù)不間斷。選擇14 25目的椰殼活性炭，作為各級吸附柱的吸附劑，一級吸附柱在低溫下(-70 -40°C )吸附氙，后三級吸附柱在常溫下(10 300C )吸附氙，均在高溫下(50 200°C )脫附氙，載氣為氮氣或氦氣?？諝忸A(yù)處理單元在空壓機(jī)1出口的連接管道上依次安裝著空氣干燥機(jī)2、氣體露點儀RH、氣體質(zhì)量流量控制器MFC0、氣體冷卻器3，氣體冷卻器通過一個四通和一個三通接頭連接溫度傳感器TO、閥門VU ValUVbll ；一級吸附單元Vall通過兩個三通或一個四通接頭連接壓力變送器I^l、閥門 Val2和一級吸附柱Cal，Cal的出口經(jīng)過過濾器之后通過兩個三通或一個四通接頭連接閥門Val3、Val4、Val5 ；Vb 11通過兩個三通或一個四通接頭連接壓力變送器Pbl、閥門Vbl2和一級吸附柱Cbl，Cbl的出口經(jīng)過過濾器之后通過兩個三通或一個四通接頭連接閥門Vbl3、 Vbl4、Vbl5 ；Val2、Vbl2之間通過一個三通接頭連接氣體質(zhì)量流量控制器MFCl的出口，MFCl 的入口連接載氣管道，Val4、Vbl4之間通過兩個三通或一個四通接頭連接閥門V2和V3，V3 連接閥門V21，Val5、Vbl5之間通過一個三通接頭連接真空管道；二級吸附單元V21通過一個四通接頭連接壓力變送器P2、閥門V22和二級吸附柱 C2，C2的出口經(jīng)過過濾器之后通過一個四通接頭連接閥門V23、V24、V25，V22連接氣體質(zhì)量流量控制器MFC2的出口，MFC2的入口連接載氣管道，V24連接閥門V31，V25連接真空管道；三級吸附單元V31通過一個四通接頭連接壓力變送器P3、閥門V32和三級吸附柱 C3，C3的出口經(jīng)過過濾器之后通過一個四通接頭連接閥門V33、V34、V35，V32連接氣體質(zhì)量流量控制器MFC3的出口，MFC3的入口連接載氣管道，V34連接閥門V41，V35連接真空管道；四級吸附單元V41通過一個四通接頭連接壓力變送器P4、閥門V42和四級吸附柱 C4，C4的出口經(jīng)過過濾器之后通過一個四通接頭連接閥門V43、V44、V45，V42連接氣體質(zhì)量流量控制器MFC4的出口，MFC4的入口連接載氣管道，V44連接微型隔膜增壓泵4，V45連接
真空管道；制源單元隔膜泵的出口連接閥門V46，V46通過一個四通接頭連接壓力變送器 P5、閥門V48和帶有閥門V47的樣品收集瓶7，V48連接真空管道；真空管道均與真空泵5連接，載氣管道均與載氣鋼瓶6連接。制源過程中使用微型隔膜增壓泵，四級吸附柱脫附出來的氙氣，經(jīng)隔膜泵轉(zhuǎn)移到樣品瓶中。本發(fā)明對氙的富集因子大于5X106，氡的去污因子大于1X105，可將有效取樣體積大于IOOm3空氣中的氙(體積分?jǐn)?shù)8.7X10_8)，分離富集為體積20ml的樣品(氙濃度大于 40% )。本發(fā)明工作原理
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本發(fā)明提出了一種低溫條件下富集大氣中氙的連續(xù)取樣的方法和裝置，該方法將空氣干燥、冷卻后上柱吸附，使用4級吸附柱逐級富集濃縮空氣中的氙，一級吸附柱在低溫下(-70 -40°C )吸附，后三級吸附柱在常溫下(10 30°C )吸附，一級吸附柱采用兩套并行結(jié)構(gòu)，交替工作，實現(xiàn)連續(xù)不間斷取樣，使用活性炭一種吸附劑，該方法設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，取樣量大，可用于對環(huán)境空氣中稀有氣體氙的取樣。下面結(jié)合實施方案對本發(fā)明作進(jìn)一步描述按照圖1所示的連接關(guān)系，建立低溫富集大氣中氙的連續(xù)取樣裝置。其中一級吸附柱長lm、內(nèi)徑50mm，可用2根500mm長的串連；二級吸附柱長 400mm、內(nèi)徑20mm ；三級吸附柱長觀0讓、內(nèi)徑IOmm ；四級吸附柱長150mm、內(nèi)徑4. 6mm ；外部加熱器功率分別為800、200、100、100W。裝填14 25目椰殼活性炭。載氣為氮氣或氦氣。在取樣前，需要對各級吸附柱內(nèi)裝填的活性炭吸附劑進(jìn)行加熱活化，以利于活性炭對空氣中氙的富集。具體方法為開啟真空泵和閥門Val5、Vbl5、V25、V35、V45，對各級吸附柱抽真空， 至壓力hi、Pbl、P2、P3、？4均< lkPa。開啟各級吸附柱上的加熱器，升溫到200°C并保持30min后停止加熱，降至< 30°C后關(guān)閉真空泵及所有閥門。設(shè)定質(zhì)量流量控制器MFCl、 MFC2、MFC3、MFC4 的流量分別為 200、50、20、10mL/min，打開 MFC1、MFC2、MFC3、MFC4 和閥門 Val2、Vbl2、V22、V32、V42，加入載氣保護(hù)。當(dāng)壓力 Pal、Pbl、P2、P3、P4 均> IlOkPa 后，關(guān)閉所有質(zhì)量流量控制器和閥門。操作步驟(1)空氣預(yù)處理設(shè)定質(zhì)量流量控制器MFCO的流量為150 200L/min，開啟空壓機(jī)、空氣干燥器、 MFCO和閥門VI，當(dāng)氣體露點儀RH顯示露點低于-40°C Td后，開啟氣體冷卻器。當(dāng)溫度傳感器TO顯示溫度低于_70°C后，關(guān)閉閥門Vl。(2) 一級吸附柱Cal富集打開閥門Vall，Val3,由一級吸附柱Cal取樣，4h后停止取樣，關(guān)閉閥門Vail、 Val3。打開閥門Vbll、Vbl3，切換到一級吸附柱Cbl取樣。(3) 一級吸附柱Cal脫附純化打開MFCl和閥門Val2、Val4、V2，并開啟一級吸附柱Cal上的加熱器，當(dāng)升溫至 110°C后關(guān)閉閥門V2。打開閥門V3、V21、V23，對一級吸附柱Cal加熱到200V并保持20min， 關(guān)閉MFCl和閥門Val2、Val4、V3、V21。開啟真空泵和閥門Val5，保持一級吸附柱Cal溫度 2000C 30min。關(guān)閉閥門Val5，停止加熱一級吸附柱Cal，冷卻至< 30°C。此過程使一級吸附柱Cal內(nèi)脫附的氙轉(zhuǎn)移至二級吸附柱C2。(4) 二級吸附柱C2脫附純化打開MFC2和閥門V22，同時開啟二級吸附柱C2上的加熱器，當(dāng)升溫至80°C并保持 5min后關(guān)閉閥門V23。打開閥門V24、V31、V33，對二吸附柱C2加熱到160V并保持IOmin, 關(guān)閉MFC2和閥門V22、V24、V31、V33。打開閥門V25，對二吸附柱C2加熱到200°C并保持 30min。關(guān)閉閥門V25，停止加熱二級吸附柱C2，冷卻至< 30°C。此過程使二級吸附柱C2內(nèi)脫附的氙轉(zhuǎn)移至三級吸附柱C3。(5) 一級吸附柱Cbl富集
一級吸附柱Cbl取樣4h后停止取樣，關(guān)閉閥門Vbll、Vbl3。打開閥門Vall、Val3， 切換到一級吸附柱Cal取樣。(6) 一級吸附柱Cbl脫附純化打開MFCl和閥門Vbl2、Vbl4、V2,并開啟一級吸附柱Cbl上的加熱器，當(dāng)升溫至110°C后關(guān)閉閥門V2。打開閥門V3、V21、V23，對一級吸附柱Cbl加熱到200°C并保持 20min，關(guān)閉MFCl和閥門Vbl2、Vbl4、V3、V21。打開閥門Vbl5，保持一級吸附柱Cbl溫度 2000C 30min。關(guān)閉閥門Vbl5，停止加熱一級吸附柱Cbl，冷卻至< 30°C。此過程使一級吸附柱Cbl內(nèi)脫附的氙轉(zhuǎn)移至二級吸附柱C2。重復(fù)步驟G)，使二級吸附柱C2內(nèi)脫附的氙轉(zhuǎn)移至三級吸附柱C3。重復(fù)前述所有過程3次，總計進(jìn)行步驟⑵、⑶、(5)、(6)各3次，步驟⑷共6 次，即進(jìn)行一級吸附柱Cal和Cbl取樣各3次，向二級吸附柱C2轉(zhuǎn)移各3次，C2向三級吸附柱C3轉(zhuǎn)移6次。(7)三級吸附柱C3脫附純化打開MFC3和閥門V32、V33，同時開啟三級吸附柱C3的加熱器，當(dāng)升溫至50°C后關(guān)閉閥門V33。打開閥門V34、V41、V43，對三級吸附柱C3加熱到160°C并保持5min，關(guān)閉MFC3 和閥門V32、V34、V41、V43。打開閥門V35，對三吸附柱C3加熱到200°C并保持30min。關(guān)閉閥門V35，停止加熱三級吸附柱C3，冷卻至< 30°C。此過程使三級吸附柱C3內(nèi)脫附的氙轉(zhuǎn)移至四級吸附柱C4。(8)四級吸附柱C4脫附、制源打開閥門V48、V47，對樣品瓶抽真空，至壓力P5 < lkPa，關(guān)閉閥門V47、V48。開啟四級吸附柱C4的加熱器，升溫至200°C并保持5min，打開閥門V44、V46、V47和隔膜泵，至P5 值不再上升時，關(guān)閉隔膜泵。打開MFC4和閥門V42，至壓力P4值約為IOOkI3a時，關(guān)閉閥門 V42,打開隔膜泵，至P5值不再上升時，關(guān)閉隔膜泵，反復(fù)這一過程，至P5值約為IOOkPa時， 關(guān)閉隔膜泵、MFC4、C4的加熱器和閥門V44、V46、V47。打開閥門V45，保持四級吸附柱C4溫度200°C 30min。關(guān)閉閥門V45，停止加熱四級吸附柱C4，冷卻至< 30°C。此過程為樣品瓶制源過程。樣品瓶中濃縮的氙氣樣品送去進(jìn)行放射性氙同位素測量和總氙濃度測量，得到樣品中氙同位素的放射性活度和總氙量，進(jìn)而計算出所取環(huán)境空氣中放射性氙同位素的活度濃度。樣品瓶為可直接進(jìn)行Y測量的碳窗襯底不銹鋼源盒，容積約20ml，樣品中氙的濃度約50% (v/v)，獲取總氙量約IOml (標(biāo)況)，有效空氣取樣體積約115m3，對氙的富集倍數(shù)大于5X106。前述過程為一個Mh的取樣過程加后續(xù)的濃縮、制源和測量過程，按照本方法運行，可實現(xiàn)對環(huán)境空氣中放射性稀有氣體氙的長期、連續(xù)取樣監(jiān)測。本方法已被用于研制可移動的分體式大氣氙取樣器和可移動的大氣放射性核素監(jiān)測站，服務(wù)于大氣核環(huán)境的監(jiān)測研究和禁核試核素核查研究。
權(quán)利要求
1.一種大氣中氙的低溫富集取樣方法，其特征在于包括以下步驟1低溫吸附高溫脫附采用第一級活性炭吸附脫附單元在低溫下濃縮空氣中的氙并去除其它雜質(zhì)，吸附溫度為-70 -40°c，脫附溫度為50 200°C ；2三級常溫吸附高溫脫附采用三只級聯(lián)的活性炭吸附脫附單元在常溫下逐級濃縮空氣中的氙并去除其它雜質(zhì)， 吸附溫度為10 30°C，脫附溫度為50 200°C ；3樣品收集最后一級吸附柱脫附出來的氙經(jīng)隔膜增壓至樣品瓶，完成收集。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣中氙的常溫富集取樣方法，其特征在于在富集濃縮取樣前先對各級吸附柱內(nèi)裝填的活性炭吸附劑進(jìn)行加熱活化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大氣中氙的常溫富集取樣方法，其特征在于所述第一級吸附脫附單元為兩套并聯(lián)的活性炭吸附柱，所述兩套并聯(lián)的活性炭吸附柱通過閥門實現(xiàn)交替吸附和脫附。
4.一種大氣中氙的低溫富集取樣裝置，包括壓縮空氣源、四級級聯(lián)工作的吸附脫附單元、樣品收集瓶、載氣源、真空泵，所述每級吸附脫附單元包括活性炭吸附柱及設(shè)置在活性炭吸附柱外圍的吸附柱加熱裝置，所述壓縮空氣源與第一級吸附脫附單元的進(jìn)氣端管道連接，所述最后一級吸附脫附單元的出氣端經(jīng)過隔膜增壓泵與樣品收集瓶管道連接，所述載氣源通過管道和閥門與四級吸附脫附單元的進(jìn)氣端連接，所述真空泵通過真空管道和閥門與四級吸附脫附單元的出氣端連接，其特征在于，所述壓縮空氣源與第一級吸附脫附單元之間設(shè)置有氣體冷卻器；所述第一級吸附脫附單元包括兩只并聯(lián)且交替吸附脫附的活性炭吸附柱。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大氣中氙的低溫富集取樣裝置，其特征在于所述活性炭為 14 25目椰殼活性炭；所述載氣源的載氣為氮氣或氦氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大氣中氙的低溫富集取樣方法和裝置，其在低溫條件下將空氣中的氙富集，共使用4級吸附柱實現(xiàn)氙的富集濃縮并同時去除其它雜質(zhì)，吸附劑僅使用活性炭一種，降低了方法的復(fù)雜性和實現(xiàn)難度，沒有時間空窗；能連續(xù)取樣，結(jié)構(gòu)簡單，方法簡便，取樣量大。
文檔編號G01T7/02GK102508285SQ20111038424
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者萬可友, 劉龍波, 張昌云, 武山, 王亞龍, 陳莉云 申請人:西北核技術(shù)研究所