吕功煊，甄文龙，宁晓峰

（中国科学院兰州化学物理研究所，羰基合成与选择氧化国家重点实验室，甘肃兰州 730000）

氡（Radon, Rn）是由放射性元素镭衰变产生的惰性气体，无色、无味、无嗅、有放射性，是人体所受天然辐射的重要污染源，占人体所受总辐射剂量的42%.一般认为，氡是继吸烟之后诱发肺癌最重要的原因，已经被世界卫生组织确定为19 种主要环境致癌物之一[1-2].一些建筑和装修材料（如水泥、砂岩、花岗岩、石膏及瓷砖等）都会释放一定量的氡，地基下的氡还会通过地板、墙壁或地基的裂缝扩散进入住宅中，并在室内聚集，也可从土壤、地下水、各种管道释放出来进入室内.氡在户外浓度极低，而在气流交换不畅的地下密闭空间中，如地下坑道、地铁、矿井、国防工程和地下实验室等，就会积聚起来，达到比较高的浓度，进而增加肺癌的发病率[3].对于需要长期滞留在这样密闭空间的人员，应关注室内氡的水平，并开发出更为有效的防氡渗漏入室内和去除室内氡污染的技术[4-8].

1 氡的形成与危害

如图1 所示，氡有三种同位素，219Rn、220Rn 和222Rn，都具有放射性，其中219Rn 的半衰期（3.96 s）和220Rn 的半衰期（55.6 s）都很短，通常不会对人体造成危害，222Rn 的半衰期较长（3.83 d），容易在密闭环境中积累而达到较高的浓度.222Rn 本身具有放射性，会发生α 衰变，产生一系列衰变子体，如218Po（3.05 min）、214Pb（26.8 min）、214Bi（19.7 min）、214Po（160 µs）和210Pb（22 a）[9].氡及子体粒子因放射性会在空气中形成放射性气溶胶，当这些气溶胶被人体吸入后，便会沉积在气管、支气管等部位，并会不断发射出能量很高的α 粒子，破坏细胞DNA，使肺细胞受损，从而诱发肺癌.氡还具有较强的亲脂性，沉积在身体中的一些重要部位，如造成神经系统的损害[10-12].我国已经制定了室内氡浓度的控制国家标准，住宅中氡浓度应低于100 Bq/m3，而欧盟最新制定标准是室内氡浓度不高于50 Bq/m3，预计我国也将会调整室内氡的指标，参照国际标准修改[13-19].

图1 形成氡的天然放射系简化衰变图（括号内为α 粒子能量，单位MeV）[9]Fig.1 Simplified decay diagram of natural radiation systems that form Radon (In parentheses: α Particle energy, in MeV,with the exponent in parentheses indicating the branching ratio)[9]

2 氡暴露致肺癌病例

文献曾对室内氡暴露导致的肺癌病例进行过统计，在一些国家，由氡诱发肺癌的病例占比很高.以亚美尼亚为例，氡引发的肺癌占该国所有肺癌病例的29%（图2），而在日本和荷兰的病例占比则比较低，约为4%，其它的一些国家接近10%～15%，如俄罗斯为15%、加拿大为13%、韩国为12.5%、美国为11%[13,20-25].我国每年约有5 万例肺癌病例是由室内氡辐射引起，占所有肺癌患者的14%[23-24].王作元等提出我国的氡污染所引起肺癌的危险度指数为0.19，这意味着室内空气中的氡浓度每增加100 Bq/m3，人患肺癌的风险就会相应增加19%[26].根据我国住房和城乡建设部公开的室内氡调查结果，我国住房室内氡浓度超过100 Bq/m3的比例约为6.5%，超过200 Bq/m3的比例约为1.0%，这个比例近年来有逐渐增加的趋势，原因与建筑混凝土使用再生料比例升高有关[27].

图2 不同国家因长期氡暴露引起肺癌患者的占比Fig.2 Proportion of lung cancer patients caused by longterm Radon exposure in different countries

地下建筑是室内封闭环境，大多通风条件有限，地下岩石、土壤和水源释放渗出的氡再加上地下建筑物所使用的建材中释放的氡，使得许多长期工作在地下仓库、地下工程设施中的人员持续暴露在高氡浓度的环境中，诱发了比较严重的职业病，影响了地下工作人员的身体健康与安全[28-29].所以，详细研究地下建筑内氡浓度水平与分布特征，对于发展新的氡防护措施具有重要意义.

3 部分地下建筑内氡浓度的现状

3.1 地铁

地铁站中的氡主要来源于基岩、土壤和建筑材料的释放，不同城市、不同站点氡的水平和分布状况有较大差异[30].国外曾开展了地铁站内环境中氡浓度的调查[31-34]，首尔、大田、慕尼黑、赫尔辛基、东京、开罗等城市地铁中氡水平监测结果如表1 所列，部分区域氡浓度比较高，远超限制值，接近460.0 Bq/m3，平均值为78.2 Bq/m3.

表1 国外城市地铁站空气环境中氡浓度水平Table 1 Radon concentration levels in air environment of subway stations in foreign cities

表2 列出了北京、上海、天津、深圳、香港等城市地铁站内氡浓度监测结果[35-43]，上海和南京地铁站氡浓度较低，而乌鲁木齐与西安地铁氡浓度较高，这可能与地铁建造地基、岩石、土壤、使用材料有关.这12 个代表性城市的地铁站空气环境中氡浓度分布范围是1.2～166.5 Bq/m3，平均值为25.8 Bq/m3，大部分符合《地下建筑氡及其子体控制标准》国家标准的限制要求.

表2 国内城市地铁站空气环境中氡浓度水平Table 2 Radon concentration levels in air environment of domestic urban subway stations

3.2 地下建筑工程

地下洞库、仓库、隧道等工程也是氡浓度水平较高的区域，这些地点通常结构密闭、通风不畅[44-46].滞留其中的人员有可能长期暴露于较高的氡环境中.曾晔等[47]曾对某地两条地下坑道中（1 号坑道和2 号坑道）的氡浓度水平进行了调查，结果如表3、4 所列.由表3 可知，1 号坑道在2014～2016 年间氡浓度极值达到了4 434.2 Bq/m3，2014～2016 年连续3 年氡浓度检测年平均值都超过了1 000 Bq/m3，2016 年年均值为2 181.2 Bq/m3.如此高的氡浓度水平和坑道施工中未开启通风系统，导致坑道内通风不足，同时在施工过程中造成了许多地面裂缝，也加速了氡气泄漏扩散.而1 号坑道内在2017 年增添通风装置后，氡浓度水平分别下降了78.1%和87.7%，表明通风是有效的地下坑道氡浓度降低的手段.

表3 某地下1 号坑道2014～2017 年工作区氡浓度水平测量结果[47]Table 3 Measured results of Radon concentration levels in working area of tunnel 1 from 2014 to 2017[47]/(Bq/m3)

相比1 号坑道，2 号坑道为新建坑道.开工时就非常重视通风条件、环境控制与坑道内壁涂覆去除氡的工作，氡浓度水平下降明显.如表4 所列，在2015～2017 年氡浓度极值只达到1 336.0 Bq/m3，整体低于1 号地下坑道氡浓度水平.但其平均值也超过地下建筑氡水平控制标准.

表4 某地下2 号坑道2015～2017 年工作区氡浓度水平测量结果[47]Table 4 Measured results of Radon concentration levels in working area of tunnel 2 from 2015 to 2017[47]/(Bq/m3)

3.3 矿井

调查结果显示，大多数矿井内空气中氡的浓度远高于地面数值[48-49].李秀兰等[50]曾报道了山西省某铁矿井下氡浓度水平（如表5 所列），6 个矿井中氡浓度均值为(3 778±1 128) Bq/m3，极值达到(5 121±3 357) Bq/m3，其中6 号矿井氡浓度较高.工作面的氡浓度高达到(4 477±2 666) Bq/m3，运输巷、井下工作房和回风口处的氡浓度分别为4 290、3 496 和3 702 Bq/m3，其均值为(3 622±920) Bq/m3，这与矿井下的地址条件、通风率不足有关.

表5 不同矿井下氡浓度水平以及矿井不同工作场所氡浓度水平[50]Table 5 Radon concentration levels in different mines and workplaces[50]/(Bq/m3)

张德华等[51]曾调研了某地下的铀矿井内氡浓度，发现氡浓度水平与监测点距地面高度成反比，氡浓度的极值为2 700 Bq/m3[图3（a）].孙璐[52]调研了某锡矿井内氡浓度与季节之间的变化规律，发现在夏季（6 月）和秋季（9 月）矿井内氡浓度水平较高，平均值分别为9 491 和9 366 Bq/m3，而在春季和冬季氡浓度水平较低[图3（b）]，说明矿井内氡浓度水平与环境温度有密切关系.当井内壁温度增加时，氡在地下渗流的速率升高，扩散系数变大，氡析出速率增大.

图3 （a）铀矿井中车场、主巷、风管支巷等距离地面不同高度的监测点氡浓度均值变化示意图[51]，（b）锡矿井内在4、6、9 及12 月空气中氡浓度[52]Fig.3 (a) Schematic diagram of average variation of Radon concentration at monitoring points at different heights from ground, such as parking lots, main alleys, and air duct branches in uranium mines[51], (b) Radon concentration in air of tin mines in April, June, September, and December[52]

3.4 国防工程

国防工程一般建造于地下，因需要具备较好的整体防护、隐蔽和伪装能力，因而不适于配置大通量通风设备，主要依靠内部空气净化设备实现空间中空气质量的控制.随之而来的问题是虽然空间中可挥发有机物（VOC）、氨类化合物的浓度可以保持在较低的水平，但是氡等化学惰性的有害气体反而会聚集[53].调研结果显示，在同样地质条件下国防工程内部环境中的氡污染要比地面民用建筑室内严重（约是地面建筑氡浓度的1～2 个数量级）[54-55].金晓公[56]调研了我国南方某3 个国防工程内部环境中氡浓度分布情况（如表6 所列），国防工程01 氡浓度范围是607～660 Bq/m3（均值634 Bq/m3），国防工程02 氡 浓 度 范 围 是847～899 Bq/m3（均 值874 Bq/m3），国防工程03 氡浓度范围是448～485 Bq/m3（均值469 Bq/m3），均超出规定的控制标准.

表6 南方某3 个国防工程内部环境中氡浓度[56]Table 6 Radon concentration in internal environment of three national defense projects in South[56]

图4 展示了其它12 个国防工程中氡浓度的监测浓度，氡浓度范围是39～17 169 Bq/m3，均值虽为2 702 Bq/m3，但是极值相当高.除6 和12 号国防工程外，其余国防工程内部环境中氡污染十分严重[57].2007～2008 年，某工程科研设计所对一拟改扩建工程区域进行了为期一年的氡浓度跟踪检测（实测347 d），氡浓度范围为62.9～9 475.7 Bq/m3，均值为2 055 Bq/m3，其中氡浓度高于400 Bq/m3的占254 d，超标的天数占总测试天数的73.2%.2009～2010 年该所又对该工程的内部环境的氡浓度进行多次测量，其超标的状况仍未改变.

图4 部分国防工程中氡污染实测现状图[57]Fig.4 Actual measurement status of Radon pollution in some national defense projects[57]

3.5 地下实验室

笔者对某研究所地下负一层的实验室环境中氡浓度水平进行了5 个月的跟踪监测，监测点分布如图5、6 所示.检测结果显示，库房前门口（监测点①）和库房内部（监测点②）的氡浓度分布范围分别是66～482 Bq/m3和76～436 Bq/m3，库房外过道（监测点③）与实验室外过道（监测点④）的氡浓度分布范围分别是28～427 Bq/m3和11～205 Bq/m3.氡浓度变化趋势表明大部分氡来源于库房内部，是通过扩散经过道转移至实验室侧的，且超标情况相当严重.

图5 （a）地下实验室不同监测点氡浓度分布范围，（b）监测点分布平面图（①库房前门口附近，②库房内部，③库房外过道，④实验室外过道，⑤变压吸附器附近，⑥变压吸附器A 口，⑦变压吸附器B 口）Fig.5 (a) Distribution range of Radon concentration at different monitoring points in underground laboratory,(b) monitoring points (①near front entrance of warehouse, ②inside warehouse, ③outside corridor of warehouse, ④outside laboratory, ⑤near pressure swing adsorption equipment, ⑥outlet A and ⑦outlet B)

该实验室氡浓度变化也表现出季节的差异性.如图6 所示，冬季（12 月、1 月）和春季（2 月、3 月、4 月）监测期间，氡浓度的分布范围是86～309 Bq/m3和76～384 Bq/m3，在5 月氡浓度的分布范围是253～436 Bq/m3.随环境温度的上升，氡浓度逐渐呈上升趋势，显然环境温度上升加快了地下氡的扩散析出.整体上看，地下实验室环境中氡污染比较严重，氡浓度超标天数较多.

图6 某研究所地下实验室的氡浓度分布情况（监测点②）Fig.6 Distribution of Radon concentration in underground laboratory of a certain research institute(monitoring point ②)

为有效降低地下环境中氡浓度水平，笔者借助自制的氡富集去除分离器对负一层实验室氡进行了分离富集和去除试验，结果如图5（a）所示.当环境本底氡（吸附器附近测试点⑤）的极值为372 Bq/m3时，富集分离器出口（测试点⑥和⑦）的氡浓度可达到409 和535 Bq/m3，显示出较好的氡去除能力.

3.6 其他建筑

除上述氡水平调研外，笔者也跟踪监测了某基地和一些景点室内的氡分布水平，结果如表7 所列.某基地氡浓度分布范围是39～313 Bq/m3，某石窟内氡浓度是13～237 Bq/m3，均高于氡标准阈值.某博物院I 环境中氡水平极值为644 Bq/m3，是博物院II 环境氡浓度极值的12 倍.在某博物馆III 和某博览园中，氡浓度的整体水平较低，上限值为100 Bq/m3左右.陵墓展馆I 和II 的氡范围分别是18～135 和19～73 Bq/m3，基本不会对参观公众身体健康造成伤害.总的来说，上述代表性景点与训练基地内氡浓度水平有明显不同，且变化较大.为了降低环境中氡对人们辐射，应将不同环境氡分布数据库告知于众，同时必须发展出一些高效降氡、除氡的新技术.

表7 我国某基地与部分景点环境氡水平Table 7 Environmental Radon levels in a training base and some scenic spots in China

4 氡的防护、降低和去除措施研究趋势

4.1 通风降氡

通风是最直接、最有效的降氡和氡去除方式，借助通风系统将地面新鲜空气输送至地下建筑内对高含氡空气进行置换，可以有效降低氡空间内的氡浓度水平[58-59].按照通风方式不同又可分为压入式通风、抽出式通风和压抽联合式通风3 种，大部分地下工程通风采用压入式通风.温伟伟等[60]研究了某地下工程在24 h 氡浓度随通风的变化趋势，研究结果显示，当通风系统开启，氡的浓度下降.通风结束，氡浓度短暂维持在较低水平，由于空气的扩散对流，氡浓度会缓慢逐渐升高至1 180 Bq/m3[图7（a）].李昆仑等[61]报道某国防坑道在通风系统开启2 h 后，氡浓度可从389.7 Bq/m3下降到167.1 Bq/m3.值得注意的是，当通风超过1.5 h，氡浓度不再显著降低，这意味着延长通风时间对降低氡浓度已无太大作用[图7（b）].此外，对于一些地下建筑，其进风通道没有覆层，裸露岩体中氡更容易随气体析出进入通道内，氡浓度甚至可累积达到数万Bq/m3，所以在通风前，应先将积累在通道内大量氡排出后再进行通风降氡.

图7 （a）地下工程某点位24 小时空气中氡浓度变化曲线[60]，（b）某测试点通风前后的氡水平[61]Fig.7 (a) Variation curve of Radon concentration in air at a certain underground engineering site within 24 h[60], (b) Radon level before and after ventilation at a certain testing point[61]

4.2 吸附降氡

吸附降氡是利用吸附剂（如活性炭）具有高比表面积和多孔结构的特性来吸附滞留在空气中的氡[62]，通常氡吸附效果主要与吸附剂质量、吸附温度和吸附压强等因素有关.研究表明，吸附剂越多，其吸附和滞留氡的量也越大.降低吸附温度或增加气体吸附压强，可提高吸附剂吸附氡的系数，可实现快速吸附降氡[63-64].96901 部队[60]曾研发了一种新型连续吸附降氡装备，具体构成如图8 所示.当测氡仪监测到环境中氡浓度超过设定值时，抽气泵能快速将室内气体经预冷器传输至吸附炭床进行氡吸附.当吸附量达到某一临界值时，电加热装置启动工作进行吸附炭床的热解吸，同时在真空泵辅助下产生负压，快速解吸氡气并进入冷凝器后经炭床吸附滞留发生衰变消除，该装备在2 h 内可使80 m3空间的氡浓度降低55%.

图8 吸附装置构成及工作原理图[60]Fig.8 Composition and working principle diagram of adsorption device[60]

叶茂林等[65]曾研究了具有不同比表面积的颗粒状活性炭、球状活性炭和柱状活性炭对氡的吸附性能，如图9（a）～（c）所示.结果表明，氡吸附能力与活性炭的比表面积显著相关，比表面积较大的颗粒活性炭可将室内氡浓度降低33.18%.在图9（d）中，选择以单位质量活性炭比较了氡吸附性能，结果显示颗粒活性炭的氡吸附量最高，达到85.8 Bq/(m3·kg)，柱状活性炭的氡吸附性能为45.8 Bq/(m3·kg)，球状活性炭的氡吸附性能最差为30.4 Bq/(m3·kg).刘力[66]制备了比表面积为679.25 m2/g活性炭/三维石墨烯AC/3DG2（石墨烯占2‰）吸附剂，其氡的吸附系数是6.02 L/g，经过5 次循环测试吸附氡（每次吸附15 h），吸附能力衰减14.4%[图10（a）].活性炭/凹凸棒土AC/AT3（凹凸棒土占3%）的吸附剂比表面积为1 072.9 m2/g，对应的氡的吸附系数是5.35 L/g，循环吸附降氡5 次后，吸附量为初始的92.7%[图10（b）].衰减可能是因为吸附剂表面氡吸附位点被衰变的氡子体（金属元素）占据，吸附效率逐渐降低.总体上看，吸附剂的使用寿命分别为17.3 和34.2 d，氡去除仅靠吸附方法仍较困难.

图9 (a)颗粒状、(b)球状、(c)柱状活性炭除氡的浓度与时间变化关系，(d)不同形状活性炭的氡吸附量对比[65]Fig.9 Concentration versus time relationship of (a) granular, (b) spherical, and (c) columnar activated carbon for Radon removal, and (d) comparison of Radon adsorption capacity of activated carbon with different shapes[65]

图10 （a）AC/3DG2 和（b）AC/AT3 复合材料吸附氡的循环稳定性[66]Fig.10 Cyclic stability of (a) AC/3DG2 and (b) AC/AT3 composite materials for adsorbing Radon[66]

4.3 屏蔽降氡

屏蔽降氡主要是将某种特定材料涂覆在岩体或墙面裂缝处来阻断岩体内部氡向外扩散析出[67].传统的屏蔽材料是活性炭、沸石、海泡石、重晶石、硫酸钡、石膏等，这些材料仅适用于地面建筑“堵”氡.因地下建筑环境内湿度大、氡浓度高、密闭性好，传统屏蔽材料面临难成膜、易因氡辐射老化、生霉菌、产生裂纹或脱落等问题，导致防氡效果差[68-69].一种由聚酰亚胺树脂、高性能氟硅功能助剂和阻氡功能材料等组成的防氡板材和防氡凝胶，具有优异阻氡性能、耐老化性能、良好的环境相容性与稳定性[70-71].在地下建筑降氡过程中，以板材为主体材料、凝胶作为粘接材料，实现板材与岩体的壁面紧密接触，阻断氡扩散，可满足高效降氡、绿色环保的工程应用的需求.利用纯丙烯酸乳液、钛白粉和超细微二氧化硅，通过调节物料比例研制的防氡涂层材料防氡效率可达到84%[72-73].表8 展示了不同措施的防氡效果、工程量、建设费用、运维难易度以及适用范围[60].整体上，屏蔽降氡效果最优，但工程量大建设费用高.通风降氡的效果稍低于屏蔽降氡，但其适合于特殊场所、大区域降氡.吸附降氡的效果较好，但建设费用较大，运维困难.

表8 常用的地下建筑氡防护措施效能对比[60]Table 8 Comparison of effectiveness of commonly used Radon protection measures in underground buildings[60]

4.4 变压吸附分离-转移降氡方法初步研究

在一些特殊场合中，因地下建筑内温度与湿度的要求，通风降氡方法并不适用.而屏蔽降氡虽然降低了空间中氡的浓度水平，却带来了较大的火灾隐患和更高的VOC 浓度，真可谓“顾此失彼”.吸附降氡在短时间内可显著降低空间中氡水平，但是氡很快会吸附饱和，且氡衰变子体占据吸附位点，致使吸附剂寿命极短.笔者提出应改变降氡去氡的策略，利用变压吸附的手段降氡.这种技术的突出优势是可将空间中的氡连续转移至空间外，而不需要频繁地更换吸附剂，装置可以连续服役较长的时间.若将该装置与制氧装置连用，还可以解决高原地区的空间补氧难题.笔者利用变压吸附法对地下实验室环境内氡分离富集去除进行了研究，结果如表9 所示.当本底氡的范围为82～397 Bq/m3，分离器后A 出口氡的浓度范围为6～21 Bq/m3，而B 出口氡的浓度范围是124～439 Bq/m3，分离倍率（B/A）基本保持在14.2～25.2 范围内，这些表明变压吸附可以实现氡的高选择性分离.

表9 变压吸附分离氡的分离前本底值以及分离后A 出口、B 出口浓度变化与分离倍率Table 9 Pressure swing adsorption separation of Radon:background value before separation, concentration at outlet A and outlet B after separation, and separation ratio

选用富集率（富集后氡浓度/本底氡浓度×100%）作为指标可更为显著地展示变压吸附对氡的富集和去除性能.如表10 所列，当实验室环境中氡的本底值低于150 Bq/m3时，富集率的范围是114.0%～165.9%.当本底值高于150 Bq/m3时，富集率的范围是110.6%～187.0%，这表明无论氡浓度本地值高或者低，变压吸附都是可以实现氡有效分离、富集和去除的手段.

此外，笔者将改性吸附材料用于氡的变压吸附分离、去除，结果显示改性的材料对氡的富集、去除能力有了显著提升，富集率保持在120%左右（表11）.当环境本底氡为535 Bq/m3时，富集后的氡浓度与相应的富集率可达到693 Bq/m3和129.5%.证明该改性材料能够强化氡的吸附分离/富集过程，有望应用于实现地下建筑内氡的高效转移去除.

表11 改性分子筛吸附剂变压吸附分离富集地下实验室氡的浓度变化Table 11 Pressure swing adsorption separation and collection of Radon concentration in underground laboratory using modified molecular sieve adsorbents

5 展望

随着我国地下建筑设施数量的急剧增加，其环境空间生存的健康性、安全性、舒适性要求越来越高，而部分地下密闭空间内氡污染严重超标，如地铁、典型坑道、矿井、国防过程和地下实验室环境中氡污染水平分别是1.2～166.5、105.3～4 434.2、1 952～5 121、39～17 169、28～482 Bq/m3.氡防护措施应根据地下建筑的特征，包括面积、建材、人员密集度、温度、湿度等要素“因地制宜”，确定环境中氡的分布水平，选择适宜的除氡方法.应该更关注变压吸附法高效分离-转移氡技术.在后续研究中重点关注氡的处理量、环境中氡浓度降低至安全阀值所需时间、变压吸附操作过程中的各种工艺参数、氡吸附分离机制、设备服役寿命、温度/湿度/压强对降氡效果的影响规律，变压吸附与其他降氡措施的有机组合能有效实现地下建筑中氡高效去除.