本发明专利技术属于大气辐射环境监测及核设施安全运行的监测领域，大气氙富集用中空纤维膜组件组合及测量其效果的装置，中空纤维膜组件组合包括串联和/或并联的N支相同型号和/或不同型号的聚酰亚胺材料中空纤维膜组件，其中N大于等于2。解决了商业膜组件从空气中富集氙效率低的问题，大幅提高氙分离浓缩效果的同时，减少膜组件样品处理能力的浪费。
Combination of Hollow Fiber Membrane Modules for Atmospheric Xenon Enrichment and Device for Measuring Their Effects
The invention belongs to the monitoring field of atmospheric radiation environment monitoring and safe operation of nuclear facilities. The hollow fiber membrane module assembly for atmospheric xenon enrichment and the device for measuring its effect include N hollow fiber membrane modules of the same type and/or different types of polyimide materials in series and/or in parallel, in which N is greater than or equal to 2. It solves the problem of low efficiency of enriching xenon from air by commercial membrane module, greatly improves the separation and concentration effect of xenon, and reduces the waste of sample processing capacity of membrane module.
【技术实现步骤摘要】
大气氙富集用中空纤维膜组件组合及测量其效果的装置
本专利技术属于大气辐射环境监测及核设施安全运行的监测领域，特别是一种高效率的大气氙富集用中空纤维膜组件组合。
技术介绍
大气中放射性氙同位素监测对于核设施安全运行及核活动监测具有重要意义。空气中稀有气体氙的体积分数为8.7×10-8(V/V)，其中放射性氙同位素的含量更低，难以直接分析。为有效监测核设施安全运行及有关核活动，必须从环境大气中分离富集氙同位素。从环境大气中富集氙通常采用活性炭类吸附剂气-固吸附分离方法。经典的气固吸附理论表明，氙气在混合气体中的体积比含量会显著影响固体吸附剂富集氙的效率；同时为进一步提高氙的富集效率，应尽可能去除影响氙吸附杂质气体，比如水蒸气和二氧化碳的含量。本课题组在2012年的一篇专利申请号为2011102330695，报道了一种大气中氙的常温富集取样方法及装置，使用中空纤维半透膜分离技术，实现了对空气本底中氙的预浓缩，浓缩倍数约为1.5。法国J.-P.Fontaine等人在期刊“JournalofEnvironmentalRadioactivity”2004年第72期上发表的题为“Atmosphericxenonradioactiveisotopemonitoring”的文章，采用中空纤维膜组件处理空气，膜组件产气中氙的体积比浓度约为1ppm，较空气本底浓度浓缩了约12倍，氮气的体积比含量达到了99.99％，二氧化碳和水蒸气的体积比含量分别约为10ppm和55ppm，较好地保证了氙在后续吸附柱上的高效富集与处理。但该技术方法对氙的预浓缩倍数有限，不能满足更高富集效率的需要。
技术实现思路
为了解决商业膜组件从空气中富集氙效率低的问题，本专利技术提供一种大气氙富集用中空纤维膜组件组合及测量其分离效果的装置。本专利技术的技术解决方案是提供一种大气氙富集用中空纤维膜组件组合，其特殊之处在于：包括串联和/或并联的N支相同型号和/或不同型号的聚酰亚胺材料中空纤维膜组件，其中N大于等于2。进一步地，上述聚酰亚胺材料中空纤维膜组件为NM-C05A、NM-B10A、NM-C07F、NM-C10F或NM-510F。进一步地，N＝2，NM-C10F和NM-B10A膜组件串联。进一步地，N＝2，NM-510F和NM-C10F膜组件串联。进一步地，N＝3，NM-510F、NM-C10F和NM-B10A膜组件依次串联。进一步地，N＝4，两支NM-C10F膜组件并联后再依次串联两支NM-C10F膜组件。进一步地，N＝3、4、5、6或7，三支、四支、五支、六支或七支NM-C10F膜组件依次串联。本专利技术还提供一种测量上述中空纤维膜组效果的装置，其特殊之处在于：包括依次设置的空气压缩机、气体缓冲罐、冷冻式干燥器、三级过滤器、第一质量流量控制器、恒温室、第二质量流量控制器及组分分析仪；上述组分分析仪还与第一质量流量控制器出口端管路及恒温室连接。进一步地，上述装置还包括设置在管路中的稳压阀与压力计。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术首先是通过实验研究，优选出了目前市场上现有膜材料中性能较好的膜材料；其次是通过对膜组件的组合应用和工况参数设计，大幅提高氙分离浓缩效果的同时，减少膜组件样品处理能力的浪费。2、本专利技术以聚酰亚胺为膜组件材料，从空气中分离浓缩氙效果好；同时聚酰亚胺膜对二氧化碳的分离去除效果明显优于其它市售膜。附图说明图1为实施例一中膜组件结构示意图；图中：11-管段，12-原料进气口，13-尾气出口，14-渗透气出口；图2为实施例一中渗透性能测试的实验装置示意图；图中：1-气瓶，2-渗透评价器，3-减压阀，4-总压力表，5-进口阀，6-稳压阀，7-原料压力表，8-皂沫流量计，9-恒温水浴，10-尾气压力表，11-尾气阀；图3为各种气体组分在几种膜材料中渗透速率；图4为各种气体组分在几种膜材料中渗透选择系数；图5为膜组件从空气中分离浓缩氙性能测试实验装置流程示意图；图中：41-空气压缩机，42-气体缓冲罐，43-冷冻式干燥器，44-三级过滤器，45-稳压阀，46-第一质量流量控制器，47-恒温室，48-第二质量流量控制器，49-组分分析仪，50-压力计；图6为不同的气流比条件下，不同的单支膜组件从空气中分离氙的浓缩系数(θ)随气流比(K，定义为进气流量与产气流量之比)的变化趋势图；图7为不同的气流比条件下，不同的单支膜组件从空气中24小时氙获取量(VXe)随气流比的变化趋势图；图8为三种产气流量(Q2)条件下，NM-510F和NM-C10F串联膜组件从空气中分离浓缩氙的浓缩系数(θ)随进气流量和产气流量的变化趋势图；图9为三种产气流量(Q2)条件下，NM-510F和NM-C10F串联膜组件从空气中24小时氙获取量(VXe)随进气流量和产气流量的变化趋势图；图10为NM-510F、NM-C10F和NM-B10A三支膜组件串联后从空气中分离浓缩氙的浓缩系数(θ)随进气流量和产气流量的变化趋势图；图11为NM-510F、NM-C10F和NM-B10A三支膜组件串联后从空气中24小时氙获取量(VXe)随进气流量和产气流量的变化趋势图；图12为四支NM-C10F膜组件串联示意图；图13为两两NM-C10F膜组件并联后再串联的示意图；图14为两支NM-C10F膜组件并联后再依次串联两支NM-C10F膜组件的示意图；图15为串联不同数量的NM-C10F膜组件组合从空气中分离浓缩氙的浓缩系数(θ)随进气量的变化趋势图；图16为不同气流比条件下浓缩系数随串联膜组数量的变化趋势；具体实施方式本专利技术以提高气体膜分离技术从环境大气中分离富集氙的性能为目的，开展膜材料筛选实验研究，根据研究结果确定应用于大气氙富集用的气体分离膜材料。采用优选的膜材料，开展该膜材料的中空纤维膜组件从空气中分离浓缩氙的性能研究。研究内容包括不同型号膜组件从空气中分离浓缩氙的性能、气流比变化对膜组件从空气中分离浓缩氙性能的影响、膜组件组合工作条件下从空气中分离浓缩氙的性能等。(1)膜材料实验筛选：根据气体分离膜材料研究最新进展，选取几种具有代表性的膜材料，实验研究不同膜材料对氧、氮、氙、二氧化碳的渗透性能；基于渗透性实验数据，评价不同膜材料从空气中分离氙的性能。(2)膜组件从空气中分离浓缩氙性能研究：以筛选出的气体分离膜材料的中空纤维膜组件为对象，研究不同型号或尺寸膜组件的产气性能随操作条件的变化规律；研究膜组件气流比变化对氙浓缩倍数及其回收率的影响规律；研究多级膜组件在不同组合(串联、并联)模式下的相关性能参数。以下结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的描述。实施例一本实施例以市售的多种气体分离用中空纤维膜组件为选取目标，定量抽取其中的中空纤维膜膜丝，按照惯常方法，测试N2、O2、CO2、Xe四种纯气的渗透性能，分别计算不同材料膜丝对O2/N2、O2/Xe、CO2/N2和CO2/Xe的理想分离系数。根据理想分离系数的计算结果，比较确定适用于从空气中分离浓缩氙用的中空纤维膜材料。本实施例选取最常用的聚酰亚胺(PI)、聚苯醚(PPO)和聚砜(PSF)三种材料制成的膜组件，选取的聚酰亚胺中空纤维膜丝膜组件的膜丝包括两种型号，分别为F型和A型，即PI-F和PI-A，两种膜丝的唯一不同是它们的粗细及膜厚度。四种本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大气氙富集用中空纤维膜组件组合，其特征在于：包括串联和/或并联的N支相同型号和/或不同型号的聚酰亚胺材料中空纤维膜组件，其中N大于等于2。
【技术特征摘要】
1.一种大气氙富集用中空纤维膜组件组合，其特征在于：包括串联和/或并联的N支相同型号和/或不同型号的聚酰亚胺材料中空纤维膜组件，其中N大于等于2。2.根据权利要求1所述的大气氙富集用中空纤维膜组件组合，其特征在于：所述聚酰亚胺材料中空纤维膜组件为NM-C05A、NM-B10A、NM-C07F、NM-C10F或NM-510F。3.根据权利要求2所述的大气氙富集用中空纤维膜组件组合，其特征在于：N＝2，NM-C10F和NM-B10A膜组件串联。4.根据权利要求2所述的大气氙富集用中空纤维膜组件组合，其特征在于：N＝2，NM-510F和NM-C10F膜组件串联。5.根据权利要求2所述的大气氙富集用中空纤维膜组件组合，其特征在于：N＝3，NM-510F、NM-C10F和NM-B10A...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈占营，黑东炜，刘蜀疆，常印忠，
申请(专利权)人：北京放射性核素实验室，西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11
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