第七章核技术在环境领域中的应用

第七章核技术在环境领域中的应用2023/2/41核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用主要内容第一节辐射技术在环境中的应用第二节核分析技术在环境领域中的应用第三节环境科学中核技术的应用前景2023/2/42核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用军事科学研究考古工业农业核医学环境核技术核技术诊断与辐照治疗辐射育种、辐射不育防治虫害和同位素示踪等。检测与分析,辐射加工通过测定碳-l4的浓度测定文物、化石、煤炭等的年代。环境污染治理和分析检测我国的10MeV直线感应加速器中国第一颗原子弹爆炸烟云核物理和放射化学等基础研究。优化的EDTMP结构2023/2/43核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用核技术在环境科学及环境保护领域中的应用：引言辐射技术核分析技术环境废物处理：处理废气、废水、固体废物，如利用电子束去除SO2/NOx等环境样品分析探测：具有众多常规非核技术无可替代的特点，例如高灵敏度、准确度和精密度、高分辨率（包括空间分辨率和能量分辨率）、非破坏性、多元素测定能力等2023/2/44核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用第一节辐射技术在环境中的应用电离辐射电磁辐射带电粒子射线不带电粒子射线X射线射线射线，+射线电子束，射线，质子射线氘核射线，重离子束介子束等中子辐射技术非电离辐射绝大多数电离辐射是由核反应堆、加速器以及放射性同位素源产生的。2023/2/45核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用一、废气处理主要大气污染物：SOx与NOx烟气脱硫脱硝技术主要有：固相吸附与再生技术、湿法同时脱硫脱硝技术、吸收剂喷射法等，绝大多数遇到成本过高或装置复杂的困难，例如以石灰喷雾法脱硫，用酸、碱吸收或催化还原法脱硝等。电子束照射法(EBA)脱硫脱硝波兰用俄罗斯生产的加速器净化劣质煤燃烧产生大量SO2与NOx。日本利用俄罗斯生产的加速器净化烧垃圾时所产生的烟雾。例如2023/2/46核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用脱硫脱硝工业化试验装置工艺流程简图实验装置组成：烟气参数调节系统、加速器辐照处理系统、氨投加装置、副产物收集装置、监测控制系统。2023/2/47核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用电子束辐照法能同时脱硫脱硝，脱硫率>90%，脱硝率>80%。是一种干法处理技术，不产生废水废渣；无需催化剂。反应生成的副产品可用作化肥。EBA能有效净化其它工业废气，如：汽车尾气，有气味、有毒的气体及焚烧炉的废气等。电子束剂量需求高，电能需求大，运行费用高，辐照后气溶胶的过滤等。（1）自由基生成（2）SO2及NOx的氧化（3）硫铵和硝铵的生成EBA的反应机理：EBA的优点：EBA的缺点：2023/2/48核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用二、废水处理水污染是当今全世界非常关注的一个严重问题。人类生产活动的逐渐多样化，使废水中的污染物质组分越加复杂，仅使用活化污泥等传统的处理水方法已不可能彻底解决所有的废水净化，因此需要更有效的废水处理技术。辐射处理废水始于1956年，最初的研究主要是针对废水消毒。20世纪70年代初，美国的迈阿密建立了一套大规模电子加速器，用于废水和污泥的处理研究。20世纪80年代，在全世界范围内有许多有关水和废水辐射处理的基础研究和工业实践。2023/2/49核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用研究和应用现状日本高崎的原子能研究所用电子束和γ射线进行废水和污泥的辐照处理研究，日本东京的首都同位素研究中心自从1983年起便集中研究辐射处理填埋废渣的浸出物，以减少微生物和破坏有毒的有机污染物。在美国，用高能电子处理家庭废水始于1980年麻萨诸塞州首府波士顿的鹿儿岛废水处理厂。前苏联利用辐射技术净化废水在沃罗涅日市的Voronezh合成橡胶厂已得到工业应用，辐射装置有两条生产线，分别装备ELV型电子加速器(能量0.7~1.0MeV，功率50kW)，处理橡胶加工废水中的难降解物质，电子束辐照处理后废水中的污染物得到初步降解，其可生化性显著提高。再结合生物化学法处理，得到了很好的效果。我国的辐射研究和辐射应用事业始于二十世纪中叶，利用核辐射技术对环境废物处理已有近三十年的发展历史，上海交通大学、中国科学院上海应用物理研究所等单位都曾经进行过电子束辐照处理难降解有机废水的研究。2023/2/410核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用废水辐照处理的功能去除有机污染物（TOC、BOD、COD）杀菌去除无机污染物2023/2/411核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用辐照去除有机污染物农药：利用γ射线对PCBs（多氯联苯）和DDT（双对氯苯基三氯乙烷）等物质进行降解的研究表明，辐照剂量为100kGy时，PCBs的去除率达85%，而DDT辐照50kGy的去除率就已接近100%。GC-MS（气相色谱)分析表明，降解产物为低分子量的含氯物质。表面活性物质：辐射技术可以使其分子发生断裂而分解成较轻的易于排除的物质，失去发泡能力。染料：辐射技术可以使含有染料的废水退色。其他：辐射技术还可以对木质素、硝基苯胺、增塑剂、亚硝胺类、氯酚类和有机溶剂等进行有效的处理。有机物辐照降解一般以氧化反应为主，保持较高的氧气含量，可有效提高氧化性自由基的产额，抑制还原性物质的产生。2023/2/412核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用辐照杀菌细菌是由有机复合物构成的，辐照可以有效地使细菌失去活性。辐照剂量、辐照区域内水的温度、水的稳定状态、水中存在的化学试剂以及不同类型病菌对辐射的敏感度等。微生物对于给定剂量辐射的敏感性既取决于物理因素（温度和辐射质量）和化学因素（激活剂和保护剂），又取决于生物的或生理的因素（生长阶段和DNA总量）。辐照之前对废水做适当的预处理，有利于达到微生物最大的致死效应。灭菌原理灭菌效果影响因素2023/2/413核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用饮用水的消毒传统氯灭菌缺点：1.液氯和二氧化氯的投加增加了水中不挥发性有机氯化物的含量;2.氯与水中有机物可能会生成有致癌性的三卤甲烷。GB/T5750.10-2006生活饮用水标准检验方法消毒副产物指标GB5749-2006生活饮用水卫生标准辐射灭菌的优点：1.不会产生有毒的含氯有机物，2.辐照对于用氯难以杀死的过滤性病毒有很好的消毒作用。3.兼用辐照灭菌还可以大大减少投氯量，在杀灭微生物的同时，辐照还可以促进三卤甲烷的前体有机物（如：间苯二酚、丙酮酸、4-氧基苯酚等）的分解。2023/2/414核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用辐照去除无机污染物1979年新英格兰水族馆和麻省理工大学研究组指出，足够对液体污泥消毒的剂量也能有效还原水溶性有毒金属盐，而使金属不易被植物吸收。Schmelling、Mahnaz等分别利用电子束和γ射线对含Pb2+和Hg2+的废水进行处理。研究表明，金属离子在辐照产生的水合电子和氢原子作用下，可被还原为低价或单质金属，并从溶液中沉淀出来。加拿大原子能公司报道完成从工业废水中辐照-浮选回收汞，并实现在醋酸存在下将水合酸性Cr(VI)被电离辐射有效还原为Cr(III)。2023/2/415核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用辐照去除无机污染物辐射反应以还原反应为主，通过限制氧气含量而降低·OH的产额，提高·H和eaq-的产生量，同时使用乙醇作为·OH自由基的消除剂，以阻止金属被重新氧化。（1）Hg+还原（2）汞盐去除HgCl不稳定Hg2Cl2沉淀2023/2/416核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用辐射技术与其他废水处理技术联用辐射-微生物处理活性炭吸附-辐射处理辐射-絮凝沉淀处理辐射-臭氧处理2023/2/417核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用辐射-微生物处理法必须在有充分溶解氧的情况下进行，辐射处理含有溶解氧的有机污染废水时，可以使若干难于被微生物降解的有机污染物成为具有-OH、-CO、-CHO、-COOH等官能团的容易被微生物分解的氧化物。所需的照射剂量小于单独使用照射时的三分之一。辐射-微生物处理法对于含酚、氯化苯酚、木质素、腐殖酸等有机物的水溶液十分有效。辐射——微生物处理——最有希望获得财政支持液体废物处理方法2023/2/418核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用活性炭——吸附有机污染物质——吸附能力下降——吸附能力完全丧失——“饱和炭”。采用吸附浓集与辐射联合处理，可以提高处理效率。途径1：活性炭吸附的同时进行辐照，可以在吸附的同时不断地将活性碳表面上的污染物分解，从而提高处理效率。途径2：活性炭先进行吸附处理，然后用辐射技术再生用过的活性炭，实现循环利用。活性炭吸附——辐射处理2023/2/419核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用在某些情况下，辐照后可以选用适当的絮凝剂处理，清除沉淀组分。在不含氧(少量氧)条件下对有机污染物进行辐照，可以使其中的溶解性高分子有机物的水溶性下降。从而易于用凝聚沉淀法除去。辐照-絮凝处理也可以减少需要照射的剂量。对于用作表面活性剂的聚乙二醇辛基苯基醚和用作聚合剂的聚乙烯醇等辐照后采用沉淀处理都很有效。辐射——絮凝沉淀处理2023/2/420核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用编号辐射——絮凝法生化处理法1能同时对污水和污泥进行消毒不能解决污水和污泥的消毒问题2无需增加杀菌、脱色、除臭、悬浮物去除等设备需要增加杀菌、脱色、除臭、悬浮物去除等设备3脱色效果好，出水无色透明脱色效果一般，出水色度在15度以下4出水悬浮物浓度较低出水悬浮物浓度较高5臭强度可达到一级，除臭效果明显臭强度在二级以上6不产生大量的污泥产生大量的污泥7处理效果不受环境因素的影响处理效果受环境因素的影响8有机物去除率低有机物去除率高9占地面积小占地面积大10处理后的污水和污泥对环境不产生二次污染问题处理后的污水和污泥可能对环境产生二次污染问题11基建费用高基建费用低辐射——絮凝法与生化处理城市污水的优缺点对照2023/2/421核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用臭氧的氧化选择性很强，对只含有饱和键的有机化合物几乎不起反应，例如，乙二醇基本上不能被臭氧氧化。对带有不饱和键的有机物及-OH、=NH、-NH2

官能团均易于反应。1.既能使水漂白，又能大大降低溶解有机碳(DOC)。

O3处理废水，先与水分解产生羟基自由基·OH，然后通过这些·OH自由基与有机污染物分子反应，当采用辐射-臭氧作联合处理时，除产生·OH自由基外，还产生水合电子eaq-、氢自由基·H等其他活性粒子，使有机物发生连锁氧化反应。2.与辐射法单独处理相比的优点是，即使是浓度很低的有机物也能得到有效地去除。辐射-臭氧处理的优点：辐射——臭氧处理2023/2/422核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用辐射处理废水的影响因素辐射类型及其能量分布、射线在水中的穿透能力、辐射与水相互作用体积的几何形状以及水对辐射通量的“厚度”。高能电子束的可控性好，反应速率快，但是穿透能力较弱。γ射线的穿透能力较强，但是辐射剂量较低而使反应时间偏长。针对辐照射线的特点合理地设计辐照条件（如辐照剂量、时间、温度、废水厚度等）可以有效地实现废水的处理，另外，通过改变其他辐照反应体系和条件(如氧气浓度、pH、微量添加物等)，可控制主要辐照产物的产额，继而使反应朝着所需的方向进行。2023/2/423核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用三、固体废弃物处理可回收的高分子固体废物需消毒的固体废物2023/2/424核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用废塑料聚四氟乙烯（PTFE）形势：全球氟树脂的消费量约为12万吨，其中70%左右为PTFE。而我国每年大约有1000t左右的废旧PTFE有待回收利用。

PTFE价格昂贵——回收经济又环保PTFE处理难度：PTFE极其稳定，不能生化分解，难机械破碎，用高温处理会产生大量有毒的氟化物。2023/2/425核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用废塑料日本曾用γ射线辐照与加热法联合处理，再机械破碎，得到分子量不同的纳米级聚四氟乙烯蜡状粉末，可作为优良的润滑剂（耐高温）和添加剂，加入润滑油、润滑脂中，可大大提高这些产品的质量。对废弃的聚四氟乙烯粉末进行辐照制造墨水、衣服以及润滑剂的主要成分，现在也成为工业界的一个热点。辐射诱发塑料降解：可通过所使用的剂量、剂量率和温度来控制辐射诱发过程。2023/2/426核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用废橡胶辐射技术可用于橡胶的硫化和废旧橡胶的脱硫化——成熟技术辐射回收橡胶原理辐射处理主要是利用橡胶对电子束和γ射线独有的敏感性，使废旧橡胶发生化学链解聚，从而获得有价值的加工特性和改进它们的耐用性。在辐照剂量达到70kGy时可以明显增强原始橡胶树脂和回收橡胶混合物的可塑性质，而对“拉长”等其他物理性质影响不大。大多数橡胶弹性体在射线作用下发生交联反应，只有极少数含4价碳原子基团的胶种如丁基硫化胶等在高能辐射场下呈现降解反应。2023/2/427核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用废橡胶丁基橡胶丁基硫化胶主要用来制造汽车轮胎，而丁基橡胶是生产丁基硫化胶的主要原料。丁基硫化胶在辐照下发生降解反应，降解程度取决于辐照剂量，所以通过调节辐射剂量就可以方便地产生不同相对分子质量和不同塑性值的丁基再生橡胶，再生的效果非常理想。目前我国丁基橡胶的回收再利用已经达到了每年2000t的水平。商业产品中的橡胶树脂25%是基于被回收利用的橡胶。回收的橡胶还可以用在屋顶和船只的防水材料中。2023/2/428核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用废橡胶辐射回收橡胶过程先把旧轮胎切割成小碎片，然后用高能电子束或γ射线辐照，使大分子网络结构分解，从而改变了橡胶力学的性质。破碎的纤维分离之后，原料便可与其它组分混合用于生产新轮胎。优点：整个回收利用过程相当环保，几乎没有污染。缺点：只适用于丁基橡胶等少数胶种的再生。2023/2/429核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用纤维素农林业垃圾木材和农产品秸杆的主要成分日本用辐照法处理木屑、废纸、稻草等，通过糖化与发酵而得到酒精；美国对这类纤维素加酸后辐照处理，得到的葡萄糖回收率高达56%。美、俄等国研究用辐射技术处理棉纤维素制备火药粘结剂——硝化纤维素(NC)，得到了很大的成果。中国（上海大学的周瑞敏教授等）在粘胶纤维的磺化过程中用辐射技术处理纤维素浆粕，减少了CS2的用量。2023/2/430核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用硝化纤维的制备传统的硝化过程：纤维素与硝硫混酸的硝化及NC的安定处理。

缺点：1.硝化过程中生成了硫酸酯而使得安定处理时间很长；2.废酸处理过程复杂。3.天然棉纤维素的分子量很高,制备出的NC粘度高,不能满足各种用途的需要。新生产工艺过程（前苏联研制）：(1)用高能电子辐射预处理精制棉纤维素;(2)用高活性的混合硝化剂(HNO3-N2O4-N2O5)进行硝化;(3)NC的安定处理。

优点：1.硝化中不用硫酸,有利于提高NC的安定性,可大大缩短安定处理时间；2.废酸处理简化并减少了污染;3.辐射后棉纤维素分子量降低,有利于控制粘度,可满足制造各种品号NC对粘度的要求;4.产物的分子量分布均一;5.生产率提高,并且提高了NC质量。2023/2/431核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用医疗废物和港口垃圾医疗废物：含有大量的致病菌、病毒，还含有化学药品，甚至重金属化合物，还有大量的塑料。港口垃圾：食品碎屑、塑料、纤维素等，可能存在潜在的动物传染病原体。传统处理方式：加热(100℃以上至少30min)或焚化(产生毒气)在新处理方式：辐射处理(辐照装置设在港区，能自动和连续工作)2023/2/432核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用污泥环境状况：每人每年大约产生26kg（干重）污泥。美国每年花费20多亿美元进行污泥的处理和管理来自超过13000个公立处理工厂的5～7百万吨（干重）生物固体。在中国，2005年就产生了大概350万吨（干重）污水污泥。污泥特点：含水(高)、有机物、病原体和少量重金属等。2023/2/433核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用辐射处理污泥污泥辐照的优点：国际上普遍认为很有前途的污泥处理方法。能杀死污泥中的病菌和病毒，消毒效果比热处理可靠；不破坏污泥中的有机氮化物，不会减少了污泥的肥力和产生难闻的臭味；处理温度较低(25～30℃)，减少对工厂设备的腐蚀；可以氧化有毒的和危险的有机物污染物（如杀虫剂、除草剂、多氯联苯等），把难于生物降解的物质转化为容易降解的化合物；辐照后的污泥具有良好的脱水性能，可省去化学絮凝剂和一些相应的设备。2023/2/434核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用世界第一个污泥辐照厂——格梭布尔拉治处理厂，1973年建在德国慕尼黑东10km处，60Co源，1983年补充安装137Cs辐射源。美国、印度、日本、澳大利亚、桑迪亚等国也建立了污泥辐照装置。辐射处理污泥2023/2/435核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用利用辐射技术治理“三废”，可以改善人类生存环境。核能作为一种清洁能源，能够明显减少有害气体的排放，从而有效地保护环境。核能和核技术必将促进人类、能源和环境的可持续发展！2023/2/436核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用第二节核分析技术在环境中的应用核分析技术的原理：被测定的材料或样品自身衰变或在电离辐射的作用下产生辐射特征，测量其辐射特征确定核素种类，经过计数效率刻度可进一步确定样品中核素的活度、含量等信息。广泛应用于：大气污染物监测水体和各类环境样品的分析有害元素及物质在环境介质中的影响和迁移规律研究等2023/2/437核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用环境研究中应用的核技术方法中子活化技术：从总量分析发展到元素的化学总态分析。同位素示踪技术：广泛应用在环境大气和水中扩散模式的实验研究。同步辐射X射线荧光分析：广泛应用于环境样品的形态分析，在珍稀的极地环境样品（例如，气溶胶，骨胳和残骨，冰雪）地分析研究中也是首选的分析手段之一。穆斯堡尔谱学（Mössbauereffect）：成功用于大气中铁微粒的鉴别，不仅能分析出污染量，而且能给出污染物的化学总态。2023/2/438核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用环境研究中应用的核技术方法加速器质谱技术（Acceleratormassspectrometry，AMS）：是一种超高灵敏度现代核分析技术，主要用于长寿命放射性核素的同位素丰度比的分析，从而推断样品的年龄或进行示踪研究，其探测下限可达10-2至10-15。低温等离子体技术：广泛应用于污染物的分析鉴别及废气、废液及废渣的治理。固体核径迹探测技术：在灾变环境、室内氡气的监测等方面有重要作用。2023/2/439核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用核分析技术在辐射环境监测领域的应用环境辐射水平监测：包括大气中的放射性气溶胶，地面γ辐射剂量水平、水中、土壤和建筑材料的放射性活度和室内外氡浓度等的监测。核设施的监测：核设施烟囱放射性流出物监测；核设施周围辐射环境水平监测。流动γ谱仪寻测技术：可以快速进行大地辐射剂量分布和相应核素活度的测量。从而快速进行环境污染水平调查和环境影响评价。2023/2/440核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用测能量测强度衰变一、中子活化分析在环境中的应用由于射线的能量和半衰期是放射性核素的特征，通过测定放射性核素的半衰期或者放射线的能量，便能定性，通过测定射线强度，便可定量。中子轰击待测试样核反应瞬发辐射放射性核素缓发辐射测能量测强度定性定量定性定量中子活化分析的基础是核反应。例如：24Na的半衰期是15.03h2023/2/441核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用2.样品传送装置中子活化分析设备反应堆;加速器;同位素中子源.1.中子源：中子能谱很宽，能量0.001eV到15MeV，具有极高灵敏度。占全部NAA95%以上。基于加速器产生快中子主要T(d,n)14MeV中子107-10/cm2﹒s241Am-Be：2.2×106n/Ci﹒s252Cf：2.3×1012n/g﹒s3.射线探测器活化分析短寿命核素跑兔装置能谱测量装置HPGe或Ge(Li)探测器2023/2/442核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用（一）在大气环境地球化学中的应用研究大气污染问题，必须测定污染物的化学组份。除常用的化学分析方法以外，普遍采用的有：AES(原子发射光谱)、AAS(原子吸收光谱)、XRF、ICP-AES(等离子体光谱仪)、PIXE及NAA等。

气溶胶的特点：所含的元素浓度很低；气溶胶中含有大量元素，需要进行多元素分析；气溶胶中有经高温灼烧过的碳质微粒，较难完全溶解，还含有部分易挥发的元素（如Hg、As、Se等），因此要求用不破坏样品的分析方法、才能准确地测定其全量。2023/2/443核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用气溶胶特征研究方法1.布点：布点数目、采样地点和高度；2.采样方法：采样方式、时间、频率、流速和滤膜选择等。气溶胶采集方法主要有八种：重力沉降、离心分离、惯性收集、干撞击、过滤、静电沉降、热沉降、超声凝聚。使用的最普遍的方法是过滤式（采集气溶胶总颗粒）以及撞击式（采集不同粒径的气溶胶颗粒）两种。布点——采样——制样——辐照——测量及数据处理2023/2/444核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用标准、规范名称标准号环境空气中氡的标准测量方法GB/T14582-93氡及其子体测量规范EJ/T605-91环境地表γ辐射剂量率测定规范GB/T14583-93工作场所空气中有害物质监测的采样规范GBZ159－2004室内环境空气质量监测技术规范HJ/T167—2004辐射环境监测技术规范HJ/T61-2001空气中放射性核素的γ能谱分析方法WS/T184-19992023/2/445核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用（1）滤膜的种类：有机滤膜（Nclepore滤膜、Whatman41滤膜、Zefluor滤膜）、玻璃纤维滤膜（Micro-sorban）等；

一般有机滤膜适于采集≥0.3μm的颗粒。核孔滤膜对小颗粒收集效率高，但气流速度相对较低。Whatman41滤膜对亚微米颗粒的收集效率为85%～90%。Zefluor滤膜在32L·min-1流量条件下，对0.3μm颗粒的收集效率为99%。玻璃滤膜纤维阻力较小，收集效率相对较低，适于大容量采样器。滤膜的选择（2）滤膜的纯度采样滤膜的纯度是确定被测元素探测极限的决定因素。国内外常用的几种纯度较好的滤膜是：Zefluor滤膜、Fluoropore滤膜、Nclepore滤膜、Whatman41滤膜和国产新华滤纸。2023/2/446核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用3.样品与标准的制备（1）在采样过程中，由于滤膜易受潮，必须在恒温恒湿的条件下称量采样前后的滤膜，以求得采集气溶胶粒子质量。将称量后的样品滤膜用尼龙冲模压成3mm~8mm的薄片，备作照射用。（2）标准样品盒布点——采样——制样——辐照——测量及数据处理2023/2/447核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用

中子辐照试样所产生的放射性活度取决于下列因素：①试样中该元素含量的多少，严格地讲，是产生核反应元素的某一同位素含量的多少；②辐照中子的注量（会影响可测出气溶胶中元素种类以及它们的探测极限）；③待测元素或其某一同位素对中子的活化截面；④辐照时间等。

布点——采样——制样——辐照——测量及数据处理4.样品辐照2023/2/448核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用在微型反应堆上进行的，样品装在聚乙烯照射筒内，然后放入“跑兔”，用气动传送装置将“跑兔”送入微型堆中心管道（中子注量率为9×1011m-2·s-1）。照射10min后，将“跑兔”送回到分装箱内，然后将“跑兔”及照射筒除去，样品转入测量小盒内，传送至测量装置的探测器上，进行测量。1.短照射（利用短寿命核素进行测定）2.长照射（利用中、长寿命核素进行测定）将经过短照射测量后的样品，冷却一星期后，用超纯铝箔包紧，与标准及作为质量监控的标准参考物一起装入照射的铝筒内，送入重水型核反应堆管道（中子注量率为6×1013m-2·s-1），照射20h～40h。样品照射后，转移至塑料测量盒内，冷却5d～6d后，先测量一次，计数时间为2000s，冷却15d～16d，再进行第二次测量，计数时间为4000s。2023/2/449核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用原子能院微型反应堆堆芯功率27kw,容积11L,235U浓缩90%,重9.15g。中子通量内照1×1012n/cm2.sec,外照5×1011n/cm2.sec2023/2/450核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用5.放射性测量及数据处理根据各放射性核素的性质，用不同的照射时间及衰变时间分别测得各个试样的γ能谱。用计算机进行数据处理，程序经过寻峰、净峰面积的计算及同位素鉴别和分析后，得到各核素特征峰的净峰面积，经过各个干扰贡献的扣除校正后，与标准进行比较，即可计算出试样中个待测元素的含量。布点——采样——制样——辐照——测量及数据处理60Co的γ能谱2023/2/451核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用照射和技术程序图解2023/2/452核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用（二）在水环境地球化学中的应用中子活化分析具有灵敏度高和可以同时测定多种元素的特点，在各种淡水、海水和地下水分析中都得到了广泛的应用。对于含量极低（0.001μg•L-1～0.1μg•L-1）的元素，分析前要进行预浓集，将经过预浓集的水样和标准封装在一起，进行中子照射，经过适当的照射时间和衰变时间以后，将样品转移出来置于探测器上测量放射性活度，依此计算出元素的含量。为了判断天然水域的污染状况，首先必须对水中的有害元素As、Hg、Cd、Pd等进行分析。并将结果与未受污染情况下元素的自然背景值进行比较，从而为污染的预防和治理提供科学依据。由于水体中污染元素含量极微，而且种类很多，因此需要采用先进的分析方法。2023/2/453核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用标准、规范名称标准号水质采样方案设计技术规定GB12997-91水质采样技术指导GB12998-91水质采样样品的保存和管理技术规定GB12999-91环境水质监测质量保证手册水质监测采样质量保证与质量控制监测点位设计、监测项目和频次、采样方法、采样设备、采样的保存和运输机质量控制水质监测实验室基础分析仪器、玻璃仪器、化学试剂和试液、实验室安全中国环境监测总站编布点—采样—制样（低含量需预浓集）—辐照—测量及数据处理分析方法的探测极限取决于样品基体组分和测量条件2023/2/454核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用（三）在土壤环境地球化学中的应用分析流程与气、水样品相同，采样和制样不同。土壤样品的基体成分极其复杂，样本量大，待测元素多，而且元素含量的变化范围很大，采用中子活化分析研究土壤中微量元素是一种十分理想的方法。中子注量率照射时间冷却时间测定的元素1×1013m-2·s-1～6×1013m-2·s-110h～15h5dAs、（Au）、K、La、Na、Sm、U、W、Yb15dBa、Lu、Nd、Rb30dCe、Co、Cr、Cs、Eu、Fe、Hf、Ni、Sb、Sc、Sr、Ta、Tb、Th、Yb、Zr工作所用的照射时间、冷却时间及测定的元素。2023/2/455核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用二、同位素示踪技术在环境中的应用同位素示踪法是利用放射性核素（或稳定性核素）作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法。将标记化合物或示踪剂加入所研究的体系中，借助同位素的测定技术，即可获得物质的运动和变化规律。采用同位素示踪技术测量样品，往往无需分离即可达到极高的测定灵敏度和准确度。同位素示踪技术的优点放射性同位素具有三个特征能放出各种不同的射线；放出的射线由不同原子核本身决定；具有一定的寿命。2023/2/456核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用放射性核素作为示踪剂灵敏度高，测量方法简便易行、能准确地定量、定位并符合所研究对象的生理条件。稳定性同位素作为示踪剂时，灵敏度较低、可获得的种类少、价格较昂贵，应用范围受到限制。两种示踪技术比较从事放射性操作时要有相应安全防护设施和条件；对于轻元素示踪必须注意到示踪剂的同位素效应，如：用氚水作示踪剂时在普通H2O中的含量不能过大，否则会使水的物理常数、对细胞膜的渗透及细胞质粘性等都会发生改变。生物体内进行示踪必须注意到辐射效应，用量应小于安全剂量，避免生物机体受到辐射损伤而得到错误的结果。示踪操作时注意的问题2023/2/457核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用污染元素常用示踪核素半衰期β粒子能量，MeVγ射线能量,MeV铍7Be53dK0.48氟18F112m0.64β+磷32P14.2d1.71硫35S87.2d0.167氯36Cl3.03105a0.714铬51Cr27.8dK0.323锰52Mn54Mn5.7d291d58β+,KK73,0.94,1.454.7铁55Fe59Fe2.7a45dK0.27,0.461.10,1.29钴56Co60Co77d5.27a1.50β+0.311.17,1.33镍63Ni125a0.067铜64Cu12.8h0.57β_,0.68β+,K1.35锌65Zn69Zn245d13.8h0.325β+,K0.86,IT砷76As77As26.5h38.7h2.50β+,3.34β+,K0.680.835,0.63硒75Se127dK0.076溴82Br36h0.440.55,0.62,0.78,1.32锶89Sr90Sr51d28a1.460.54镉115Cd43d0.68,1.610.49,0.94铯134Cs137Cs2.19a30a0.65,0.09,0.28,0.890.57,0.605,0.80钡131Ba140Ba11.5d12.8dK0.48,1.020.4940.16,0.30,0.54汞65Hg65hK0.077铅210Pb19.4a0.017,0.0630.047常见金属类污染元素与可以用于示踪的核素2023/2/458核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用土壤侵蚀的示踪研究14C断代同位素示踪技术的应用污染物在土壤、地表水、地下水中的迁移行为研究。污染物在生物链中转移规律的研究、污染物处理的机理研究核废物处置中关键核素的迁移转化规律研究。应用示例2023/2/459核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用土壤侵蚀是地表物质迁移的重要形式，有关土壤侵蚀的测定方法可以分为三类：

侵蚀小区测定法：费用昂贵，劳动强度大，难以应用于土壤侵蚀的大范围空间变化及土壤迁移的空间分配研究，无法提供长期的侵蚀数据。

普查法：采用某地区或流域的航片调查，对于小河和溪谷进行现场调查，以计算土壤侵蚀量。该法需要对该地区或流域的土壤侵蚀特点有初步了解，可提供超过5年的土壤侵蚀数据。缺点是未考虑溅蚀、片蚀和风蚀的影响，难以对土壤沉积及较长时期的土壤侵蚀量估算。

示踪剂法：利用自然界中定量沉降到地表或水体中的人工或天然放射性的核素在土壤中的存在情况，对比参考点推断出某时间段内发生的侵蚀作用。近代土壤侵蚀的示踪研究应用示例2023/2/460核技术应用概论——核技术在环境领域中的应用7Be：7Be是宇宙线轰击大气中N、O靶核而产生的散落核素，T1/2=53.3d，平均寿命76.5d。进入湖泊中的7Be在短期内便可转移到沉积物中，平均寄宿时间为77d。常用的示踪核素有7Be和137Cs与镭（如226Ra和228Ra）、铅（210Pb）的某些同位素。应用最多的是7Be和137Cs。示踪法可对土壤侵蚀的