水氡的來源、危害以及控制措施研究

孫宜斌，蔣復(fù)量，王家炫，趙雪麗，龔 依，黃奕龍

(南華大學(xué) 環(huán)境保護與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

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水氡的來源、危害以及控制措施研究

孫宜斌，蔣復(fù)量，王家炫，趙雪麗，龔 依，黃奕龍

(南華大學(xué) 環(huán)境保護與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

摘要：對近年來水氡問題的相關(guān)文獻進行了綜述，包括水氡的來源、危害及控制措施等幾個方面。對于水氡的來源，主要是對氡的析出和溶解進行了較為詳細(xì)的闡述，闡述了目前水氡對人體健康造成影響的兩種方式；水氡的控制措施方面包括工程領(lǐng)域氡危害控制與生活領(lǐng)域氡危害控制措施，且指出了目前我國在建立水氡的標(biāo)準(zhǔn)上存在不足，以期提供參考。

關(guān)鍵詞：水氡來源；氡析出；氡溶解系數(shù)；氡危害；氡控制措施

1引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提高，人們對于生產(chǎn)、生活中潛在危害的認(rèn)識程度也需不斷加深，如水氡。據(jù)統(tǒng)計，美國每年有至少169人因水氡危害而死亡，但在我國水氡尚未直接進入國家飲用水的安全標(biāo)準(zhǔn)[1]。提高人們對水氡的認(rèn)識是目前提高公眾對此類危險源重視程度的第一步。基于此，筆者通過文獻調(diào)查來研究水氡的來源、危害以及控制措施。

2水氡的來源

水氡指溶解于水中的氡，其來源有兩部分，分別是由水中含有的鐳衰變得到的氡以及從土壤析出的氡析出到空氣后溶解到水中。本部分重點闡述由土壤析出的氡溶解進水的過程。

2.1氡的析出

氡析出的過程中，產(chǎn)生可遷移的氡原子是氡析出的前提。鐳原子衰變到氡原子時，氡原子與α粒子間由于動量守恒使得氡原子得到反沖動能，使得一些氡原子在離開鐳原子后會繼續(xù)運動一段距離。氡分子主要通過擴散過程使氡原子從濃度高處向濃度低處擴散。在擴散的同時，由于含氡流體在介質(zhì)存在壓力梯度，使該流體從高壓力處向低壓力處滲流。經(jīng)過了擴散和滲流過程后，氡開始析出，其運移的方程為：

(1)

當(dāng)考慮一維穩(wěn)定狀態(tài)時，可將上式簡化為：

(2)

其中D為氡在介質(zhì)中的擴散系數(shù)(m2/s)，C為介質(zhì)孔隙中的氡濃度(Bq/m3)， V為流體的滲流速度(m/s)，λ為氡的衰變常數(shù)，A為介質(zhì)中產(chǎn)生可移動氡的能力(Bq/m3s)，x為垂直于介質(zhì)表面指向介質(zhì)內(nèi)部的計算坐標(biāo)(m)，η為介質(zhì)的孔隙度。當(dāng)空間氡濃度為C0時，一維介質(zhì)中穩(wěn)定狀態(tài)下的氡濃度分布為：

(3)

當(dāng)取介質(zhì)表面外法線方向為正時，氡在介質(zhì)表面有兩種通量，擴散通量以及滲流通量，因此介質(zhì)表面上的氡的總通量為：

J=J1+J2=-DΔC+CV

(4)

在一維條件下，總通量為：

(5)

由于在(4)式氡在介質(zhì)中濃度分布方程是以介質(zhì)表面內(nèi)法線為正的坐標(biāo)計算的，而氡的通量計算是以介質(zhì)外法線方向為正的，所以介質(zhì)表面的氡析出率應(yīng)寫為：

(6)

代入后，可得穩(wěn)定狀態(tài)下一維介質(zhì)表面的氡析出率為[2]：

(7)

以上是基于經(jīng)典擴散理論的析出原理。然而擴散理論中氡在巖層里面遷移距離只有幾十米，而實際工作中遷移距離可達數(shù)公里，因此氡析出原理的研究，并有以下理論，詳見表1[3]。

經(jīng)過對氡析出理論研究文獻的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)氡擴散理論目前是最廣泛使用的，其次是滲流理論及流體搬運理論，其他理論目前研究尚未廣泛運用在鈾尾礦庫氡析出等工程具體問題的研究上，可見目前在這方面的運用上有些脫節(jié)。

2.2氡的溶解

氡析出過程中，存在兩個可能讓氡溶解于水的過程，分別是在氡反沖過程和氡析出后的過程。氡反沖過程中如果土壤的含水率較高，容易使氡反沖進入水分子群中，然后被水分子水合帶入地下水并通過地下水與地表水交換進入地表；析出后則是進入空氣后溶解于水。

表1　氡析出相關(guān)理論一覽

許多學(xué)者在大量實驗的基礎(chǔ)上提出氡的溶解原理，即氣體間隙填充溶解和氣體水喝作用溶解原理。張哲等證實了氡水中的溶解為氣體水合作用，并提出以下溶解度系數(shù)隨溫度的關(guān)系[4]：

A=0.1057+0.405e-0.0502t

(8)

其中t為當(dāng)時的溫度且在空氣中存在以下溶解度的關(guān)系：

(9)

其中Cwater和Cair分別為氡在水中以及在空氣中的濃度。在此基礎(chǔ)上，陳翔等人通過設(shè)計實驗得出了氡的溶解度與壓力變化的變化關(guān)系：即溫度一定時，氡的溶解度系數(shù)隨壓力增大而增大[5]。但目前尚未有研究推導(dǎo)出壓力與氡溶解系數(shù)的函數(shù)關(guān)系。由上述內(nèi)容可見目前氡溶解的研究可注重于測量統(tǒng)計出氡在一定溫度下與壓力的經(jīng)驗函數(shù)關(guān)系。

3水氡的危害

1993年UNSCEAR報告指出，來自天然的輻射對公眾的有效劑量為2.4mSv，其中氡及其子體占了54%。由此可見氡及其子體是公眾受輻射傷害的主要來源。美國權(quán)威機構(gòu)通過統(tǒng)計表明氡在肺癌誘因中是繼煙草之后的第二位，且吸煙者受氡照射得肺癌率約為不吸煙者的10倍以上[6]。

氡對人體的傷害主要是通過其短命子體的α照射造成的，經(jīng)過大量的事實數(shù)據(jù)已經(jīng)得出氡氣體及其子體對人體的主要傷害有肺癌、白血病以呼吸道損傷等。

水氡對人體的危害與氡不同，由于水氡問題并不存在于一些水質(zhì)有保證的地區(qū)，對人體的危害并沒有顯得十分的突出，但研究表明喝入體內(nèi)的水氡對人體存在傷害，且傷害位置與氡并不相同：根據(jù)常永如所做的實驗研究估算了氡的劑量，得出胃接受的劑量最大的結(jié)論，且若每天飲用者喝入含氡量為400kBq/m3的水1L，則飲用者每年胃部受照劑量約為18mSv，所產(chǎn)生的年有效劑量當(dāng)量約為1.08mSv[7]。國際放射防護委員(ICRP)新近建議:公眾成員的年劑量限值應(yīng)是1mSv，應(yīng)取10mSv作為單個器官的年劑量限值[8]。顯然，持續(xù)喝高氡水所致胃部輻射是不能接受的超劑量照射。

在地面水中，平均含有4Bq/L的溶解氡；公共供水中的平均氡濃度為20Bq/L，且根據(jù)地區(qū)供水質(zhì)量不同導(dǎo)致高于這個數(shù)值，水中的氡很容易受到攪動等方式釋放到空氣中進而與空氣混合，因此即使在非土壤氡濃度高的區(qū)域，空氣的氡濃度也至少有2%來源于水，且根據(jù)美國水中氡危險性評估委員會分析指出，在美國每年有169人因水中氡死亡，其中89%是因為吸入從水中釋放到空氣中的氡導(dǎo)致肺癌死亡的[9]。

4水氡控制措施

水氡問題一般集中在土壤氡濃度較高或者一些鈾尾礦庫的附近。

4.1土壤氡濃度高地區(qū)的水氡控制措施

對于土壤氡濃度高的地區(qū)，應(yīng)做到的是地區(qū)供水的監(jiān)管。美國EPA在2000年發(fā)布了水氡的最大可替換值(AMCL)，即房屋內(nèi)氡濃度低于0.148Bq/L時，水氡濃度最高不得超過148Bq/L；若高于則應(yīng)采取室內(nèi)降氡措施，如覆蓋措施等；若沒有降氡措施，則水氡濃度不得超過11Bq/L[10]。我國飲用水標(biāo)準(zhǔn)中曾規(guī)定過水氡濃度最高不得超過37kBq/m3，目前飲用水標(biāo)準(zhǔn)中使用的是總α輻射低于0.5Bq/L及總β不高于1.0Bq/L的規(guī)定[11]，但是這些規(guī)定是對于飲用水中氡濃度的規(guī)定，并沒有對生活用水中氡濃度的控制標(biāo)準(zhǔn)，也沒有考慮室內(nèi)氡與水氡結(jié)合的因素。目前我國應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)有的室內(nèi)氡濃度情況對生活用水的氡濃度標(biāo)準(zhǔn)進行深入研究，并將其應(yīng)用在最新的國家標(biāo)準(zhǔn)中。

4.2鈾尾礦庫水氡控制措施

對于鈾尾礦庫來說，水氡的控制措施除了無法控制的地下滲流作用外，與常用的氡控制措施沒有差別，具體有以下幾種。

4.2.1覆蓋法

由于氡在空氣中依靠擴散和對流作用遷移，因此可以通過使用一些覆蓋材料將尾礦庫表面覆蓋，常用的有黃土覆蓋法及水覆蓋法等，但是水覆蓋法需注意溢出等情況。表2是某礦山覆蓋效果的情況[12]。

表2　不同覆蓋材料的降氡效果

4.2.2化學(xué)法

該方法使用化學(xué)物質(zhì)與尾礦砂反應(yīng)，形成一種抗風(fēng)防水的殼狀物質(zhì)，以此防止尾礦砂流失及揚塵。常用物質(zhì)有樹脂粘合劑、石灰漿、水泥及硫酸處理過的黃鐵礦等。另外還有使用防氡密封劑形成密封膜的方法。

4.2.3植被法

該方法直接在尾礦區(qū)域內(nèi)種植植被，這樣的方法既可以有效的延長上述兩種方法的使用時間，而且能有效防止尾礦砂流失，是目前最常用的防氡治理方法[13]。實際上鈾尾礦庫一般綜合上述方法來進行處理：先使用黃土等物質(zhì)覆蓋，隨后在覆蓋后使用化學(xué)物質(zhì)或者直接在黃土上種植植被來進行處理。

4.3家庭水氡控制措施

對于生活用水，目前常用的有3個方法。①敞口保存：由于氡是以及子體是短壽命衰變元素，可以將水保存數(shù)小時后使用，實驗表明該方法在水量不大或者水中氡超量不多的情況下6～7 h可以達到80%～90%的除氡效率。缺點在于生活中要使用水需要提前數(shù)小時儲備，且部分氡會揮發(fā)到空氣中導(dǎo)致室內(nèi)空氣氡濃度升高，因此并不實用。②活性炭吸附：活性炭對于氡分子有十分有效的吸附作用，且可重復(fù)使用，具有很強經(jīng)濟性，實驗表明，當(dāng)吸附時間在100 min左右時去除率可以達到98%，效果十分顯著[14]。③使用水氡脫氣裝置：使用空氣凈化系統(tǒng)可以有效地治理室內(nèi)氡以及水氡，在直接使用生活用水后啟動凈化系統(tǒng)可以有效降低由于使用水而擴散到空氣中的氡[6]。缺點在于目前普及度很低，價格高昂，一般使用在會議室、賓館、手術(shù)室等。

對于飲用水，常用方法有為加熱飲用水以及敞口保存。由于氡在水中的溶解度與溫度有十分重大的關(guān)系，通過加熱可以有效地處理飲用水中的氡。根據(jù)一個對伊朗某旅游城市水質(zhì)的研究[15]，得出從17℃開始提高約20℃可以將氡去除92%。

5結(jié)語

(1)目前對氡析出的研究應(yīng)注重于實際應(yīng)用，通過理論與實踐的結(jié)合來進一步完善理論；對氡溶解的研究應(yīng)注重在研究壓力與溶解度之間的函數(shù)關(guān)系。

(2)水氡的危害目前常用數(shù)據(jù)是國外統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，對于由于水氡問題導(dǎo)致健康影響的統(tǒng)計數(shù)據(jù)在國內(nèi)并不多，可以在一些氡問題較為嚴(yán)重的地區(qū)開始統(tǒng)計試點，為之后的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。

(3)目前我國水氡濃度的標(biāo)準(zhǔn)并不全面，應(yīng)通過研究建立生活用水氡濃度標(biāo)準(zhǔn)；在控制措施上，可以嘗試從安全角度研究水氡問題，補充目前控制措施可能存在的缺陷。

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Review onResearch Progress on the Source，Hazard and Control Methods of Water Radon

SunYibin， Jiang Fuliang， WangJiaxuan， ZhaoXueli， Gong Yi， Huang Yilong

(SchoolofEnvironmentProtectionandSafetyEngineering，UniversityofSouthChina，Hengyang421001，China)

Abstract:The hazards of water radon have caused the attention of researchers from abroad and at home，but the research results in this field are relativelyfew in China.This articlereviewsthe related literatures of water radon in recent years，includingthe sources，hazards and control methods of water radon.For the source of water radon，the article illustratesthe exhalation and dissolution of radon in details.For the hazards of water radon，the article combines with the domestic and foreign researches and expounds two ways of the influence of water radon on health.In terms of the control methods of water radon，the articleprovides the control of radon hazard in the field of engineering andlife.The article also proposesthat theestablishment of the standard of water radon has deficienciesin China.This study can provide references for related researchers.

Key words:source of water radon;radon exhalation;radon dissolution rate;radon hazards;radon control methods

文章編號：1674-9944(2016)02-0042-03

中圖分類號：X832

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：：孫宜斌(1995—)，男，上海人，南華大學(xué)環(huán)境保護與安全工程學(xué)院大學(xué)生。通訊作者：蔣復(fù)量(1978—)，男，湖南永州人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事礦山安全方面的研究。

基金項目：2015年地方高校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(編號：201510555013)；2015年度湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃項目(序號：242)

收稿日期：2015-11-17