核技術在環(huán)境中的應用課件

第七章

核技術在環(huán)境領域中的應用2009.9.27第七章

核技術在環(huán)境領域中的應用2009.9.271核技術的應用領域

軍事科學研究考古工業(yè)農業(yè)核醫(yī)學環(huán)境核技術核技術診斷與輻照治療輻射育種、輻射不育防治蟲害和同位素示蹤等。檢測與分析,輻射加工通過測定碳-l4的濃度測定文物、化石、煤炭等的年代。環(huán)境污染治理和分析檢測我國的10MeV直線感應加速器中國第一顆原子彈爆炸煙云核物理和放射化學等基礎研究。優(yōu)化的EDTMP結構核技術的應用領域軍事科學研究考古工業(yè)農業(yè)核醫(yī)學環(huán)境核技術核2核技術在環(huán)境中的應用輻射技術核分析技術輻射技術是利用射線與物質間的作用，電離和激發(fā)產生的活化原子與活化分子，與物質發(fā)生一系列物理、化學與生物學變化而發(fā)生改性。應用于環(huán)境(30多年)：污染物治理和廢棄物回用、殺菌

核技術在環(huán)境中的應用輻射技術核分析技術輻射技術是利用射線與物3電離輻射電磁輻射帶電粒子射線不帶電粒子射線X射線射線射線，+射線電子束，射線，質子射線氘核射線，重離子束介子束等中子輻射技術非電離輻射E>50eV電離輻射電磁輻射帶電粒子射線不帶電粒子射線X射線射線，+4電離輻射降解機理

H2O→eaq-,·OH,·H,·H2,H2O2A*→R·+·SA*+RH→AH·+R·AB+·+CD→ABC++D·電離輻射能直接或間接地導致分子的電離和激發(fā)。輻射化學效應主要是水的輻解產物與溶質的反應水輻解生成初生態(tài)·OH、·H等活性很強的自由基，與有機化合物發(fā)生反應(自由基發(fā)生化合、轉移)導致其降解。影響污染物降解速率的主要因素：自由基的濃度和活性位阻效應(自由基的空間立體結構影響自由基的穩(wěn)定性和反應活性)溶劑效應(溶劑與自由基形成絡合物,改變其性質;溶劑的粘度和極化度會改變自由基反應速率)自由基清除劑的影響(如氧氣、醇等會與自由基反應,使其他自由基反應受到抑制)電離輻射降解機理H2O→eaq-,·OH,·H,·H2,H5輻射處理的射線及裝置γ射線——反應堆或反應堆產生的放射性核素。反應堆作為在線照射源，將被照射物放在堆冷卻池中進行在線照射。6027Co源的半衰期為5.26a，每次衰變，放射出能量為1.17MeV和1.33MeV兩種γ射線。

的半衰期為30a，β衰變產生，很快衰變產生γ射線，能量為661.6keV，使用中不需頻繁的換源。輻射處理的射線及裝置γ射線——反應堆或反應堆產生的放射性核素6我國的10MeV直線感應加速器電子束——電子加速器（1MeV～10MeV）。與鈷源（輻射效率大約20%）相比，其最大優(yōu)點是輻照束流集中定向，能源利用充分，輻照效率高達80%以上，不產生放射性廢物，控制方便（不用即關）。輻照處理的射線及裝置我國的10MeV直線感應加速器電子束——電子加速器（1MeV7一、廢氣處理

主要大氣污染物：SOx與NOx電子束照射法(EBA)脫硫脫硝：20世紀90年代俄羅斯科學院西伯利亞分院的核物理研究所制造的加速器供應波蘭和日本，用以凈化煙霧。波蘭用俄羅斯生產的加速器凈化劣質煤燃燒產生大量SO2與NOx。日本利用俄羅斯生產的加速器凈化燒垃圾時所產生的煙霧。一、廢氣處理主要大氣污染物：SOx與NOx20世紀90年8電子束輻照煙氣脫硫脫硝工業(yè)化試驗裝置工藝流程簡圖實驗裝置組成：煙氣參數調節(jié)系統(tǒng)、加速器輻照處理系統(tǒng)、氨投加裝置、副產物收集裝置、監(jiān)測控制系統(tǒng)。銨鹽可作為肥料電子束輻照煙氣脫硫脫硝工業(yè)化試驗裝置工藝流程簡圖實驗裝置組成9電子束輻照法能同時脫硫脫硝，脫硫率>90%，脫硝率>80%。是一種干法處理技術，不產生廢水廢渣；無需催化劑；系統(tǒng)簡單，操作方便，過程易于控制。反應生成的副產品可用作化肥。EBA能有效凈化其它工業(yè)廢氣，如：VOCs，汽車尾氣，有氣味、有毒的氣體及焚燒爐的廢氣等。電子束劑量需求高，電能需求大，運行費用高，輻照后氣溶膠的過濾等。EBA的優(yōu)點：EBA的缺點：EBA的反應機理：（1）自由基生成；（2）SO2及NOx的氧化（3）硫銨和硝銨的生成電子束輻照法能同時脫硫脫硝，脫硫率>90%，脫硝率>80%10二、廢水處理輻射處理廢水始于1956年，最初的研究主要是針對廢水消毒。20世紀70年代初，美國的邁阿密建立了一套大規(guī)模電子加速器，用于廢水和污泥的處理研究。20世紀八十年代，在全世界范圍內有許多有關水和廢水輻射處理的基礎研究和工業(yè)實踐。日本高崎的原子能研究所用電子束和γ射線進行廢水和污泥的輻照處理研究，日本東京的首都同位素研究中心自從1983年起便集中研究輻射處理填埋廢渣的浸出物，以減少微生物和破壞有毒的有機污染物。在德國，有60Co源安裝在760個深井中用于飲水和工業(yè)廢水的處理。在美國，用高能電子處理家庭廢水始于1980年麻薩諸塞州首府波士頓的鹿兒島廢水處理廠。在原捷克斯洛伐克雷澤的核研究所，自從1986年起就已經確定飲用水的輻射研究方案，他們用800Gy劑量的輻照來代替氯氣，以消毒飲用水。印度的巴巴原子研究所研究中心在Baroda的Gajerawadi污水處理廠有一座18.5PBq（500kCi）60Co的中間工廠用以輻照處理廢水或污泥。二、廢水處理輻射處理廢水始于1956年，最初的研究主要是針對11自1987年起，奧地利研究中心一直進行著用電子束輻照從飲用水中去除氯乙烯的研究。位于維也納南的MitlerdorferSenke是歐洲最大的地下水源，但是大部分地下水含四氯乙烯，奧地利在該地區(qū)建立了世界第一個臭氧-電子束結合的商用處理站，用于凈化地下水，使它可以作為飲用水；前蘇聯(lián)利用輻射技術凈化廢水在沃羅涅日市的Voronezh合成橡膠廠已得到工業(yè)應用，輻射裝置有兩條生產線，分別裝備ELV型電子加速器(能量0.7~1.0MeV，功率50kW)，處理橡膠加工廢水中的難降解物質，電子束輻照處理后廢水中的污染物得到初步降解，其可生化性顯著提高。再結合生物化學法處理，得到了很好的效果。前蘇聯(lián)還曾建成一座輻射處理試驗廠，用于抗菌素工廠的廢水處理，其廢水日處理量達到15000m3，經處理的廢水各項指標皆優(yōu)于常規(guī)處理法。巴西于1996年開始研究用電子加速器處理飲用水和污水，在巴西原子能研究所建立了一套大規(guī)模電子加速器水處理的示范裝置，主要用于生活污水的消毒，工業(yè)廢水中染料、苯酚、油和脂的分解及飲用水中三鹵甲烷的去除；韓國三星HeavyIndustries(SHI)與俄羅斯物化所合作，建立了一套電子束處理廢水裝置，處理大丘染化工業(yè)公司的印染廢水，處理量為每天1000m3。此外，韓國還建成了造紙廢水再循環(huán)的電子束處理商用示范裝置，匈牙利、加拿大等國也都建有類似的水處理試驗工廠。我國的輻射研究和輻射應用事業(yè)始于二十世紀中葉，利用核輻射技術對環(huán)境廢物處理已有近三十年的發(fā)展歷史，上海交通大學、中國科學院上海應用物理研究所等單位都曾經進行過電子束輻照處理難降解有機廢水的研究。研究和應用現狀自1987年起，奧地利研究中心一直進行著用電子束輻照從飲用水12廢水輻照處理的功能

去除有機污染物（TOC、BOD、COD）殺菌去除無機污染物廢水輻照處理的功能去除有機污染物（TOC、BOD、COD）13輻照去除有機污染物農藥：Mincher等利用γ射線對PCBs和DDT等類物質進行降解的研究表明，輻照劑量為100kGy時，PCBs的去除率達85%，而DDT輻照50kGy的去除率就已接近100%。GC-MS分析表明，降解產物為低分子量的含氯物質。表面活性物質：輻射技術可以使其分子發(fā)生斷裂而分解成較輕的易于排除的物質，失去發(fā)泡能力。染料：輻射技術可以使含有染料的廢水退色。其他：輻射技術還可以對木質素、硝基苯胺、增塑劑、亞硝胺類、氯酚類(Chlorophenols，CPs)和有機溶劑等進行有效的處理。有機物輻照降解一般以氧化反應為主，保持較高的氧氣含量，可有效提高氧化性自由基的產額，同時抑制還原性物質的產生。輻照去除有機污染物農藥：Mincher等利用γ射線對PCBs14輻照殺菌滅菌原理：細菌是由有機復合物構成的，因此輻照可以有效地使細菌失去活性。滅菌效果影響因素：輻照劑量、輻照區(qū)域內水的溫度、水的穩(wěn)定狀態(tài)、水中存在的化學試劑以及不同類型病菌對輻射的敏感度等。微生物對于給定劑量輻射的敏感性既取決于物理因素（溫度和輻射質量）和化學因素（激活劑和保護劑），又取決于生物的或生理的因素（生長階段和DNA總量）。輻照之前對廢水做適當的預處理，有利于達到微生物最大的致死效應。用比較小的劑量（如0.25kGy～1kGy）進行輻照，對普通細菌（如大腸桿菌、沙門氏菌等），90%的劑量可將它們殺死。輻照殺菌滅菌原理：細菌是由有機復合物構成的，因此輻照可以有效15飲用水的消毒飲用水氯滅菌缺點：1.液氯和二氧化氯的投加增加了水中不揮發(fā)性有機氯化物的含量，2.氯與水中有機物可能會生成有致癌性的三鹵甲烷。GB/T5750.10-2006生活飲用水標準檢驗方法消毒副產物指標GB5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標準輻射滅菌的優(yōu)點：1.不會產生有毒的含氯有機物，2.輻照對于用氯難以殺死的過濾性病毒有很好的消毒作用。3.兼用輻照滅菌還可以大大減少投氯量，在殺滅微生物的同時，輻照還可以促進可能生成三鹵甲烷的前體有機物（如：間苯二酚、丙酮酸、4-氧基苯酚等）的分解。飲用水的消毒飲用水氯滅菌缺點：1.液氯和二氧化氯的投加增加了16輻照去除無機污染物1979年新英格蘭水族館和麻省理工大學研究組指出，足夠對液體污泥消毒的劑量也能有效還原水溶性有毒金屬鹽，而使金屬不易被植物吸收。加拿大原子能公司報道完成從工業(yè)廢水中輻照-浮選回收汞，并實現在醋酸存在下將水合酸性Cr(VI)被電離輻射有效還原為Cr(III)。Schmelling、Mahnaz等分別利用電子束和γ射線對含Pb2+和Hg2+的廢水進行處理。研究表明，金屬離子在輻照產生的水合電子和氫原子作用下，可被還原為低價或單質金屬，并從溶液中沉淀出來。重金屬離子（Pb、Hg、Cd、Cr或它們的鹽）還原為低價或單質金屬（研究階段）.SchmellingD,etal.RadiationPhysicsandChemistry,1998,52(1-6):371-377MahnazC.etal.RadiationPhysicsandChemistry,1998,53(2):145-150輻照去除無機污染物1979年新英格蘭水族館和麻省理工大學研究17輻照去除無機污染物輻射反應以還原反應為主，通過限制氧氣含量而降低·OH的產額，提高·H和eaq-的產生量，同時使用乙醇作為·OH自由基的消除劑，以阻止金屬被重新氧化。（1）Hg+還原（2）汞鹽去除HgCl不穩(wěn)定Hg2Cl2沉淀輻照去除無機污染物輻射反應以還原反應為主，通過限制氧氣含量而18輻射技術與其他廢水處理技術聯(lián)用輻射-微生物處理活性炭吸附-輻射處理輻射-絮凝沉淀處理輻射-臭氧處理輻射技術與其他廢水處理技術聯(lián)用輻射-微生物處理活性炭吸附-輻19輻射-微生物處理法必須在有充分溶解氧的情況下進行，輻射處理含有溶解氧的有機污染廢水時，可以使若干難于被微生物降解的有機污染物成為具有-OH、-CO、-CHO、-COOH等官能團的容易被微生物分解的氧化物。所需的照射劑量小于單獨使用照射時的三分之一。輻射-微生物處理法對于含酚、氯化苯酚、木質素、腐殖酸等有機物的水溶液十分有效。輻射-微生物處理——最有希望獲得財政支持液體廢物處理方法輻射-微生物處理法必須在有充分溶解氧的情況下進行，輻射處理含20活性炭——吸附有機污染物質——吸附能力下降——吸附能力完全喪失——“飽和炭”。采用吸附濃集與輻射聯(lián)合處理，可以提高處理效率。途徑1：活性炭吸附的同時進行輻照，可以在吸附的同時不斷地將活性碳表面上的污染物分解，從而提高處理效率。途徑2：活性炭先進行吸附處理，然后用輻射技術再生用過的活性炭，實現循環(huán)利用。活性炭吸附-輻射處理活性炭——吸附有機污染物質——吸附能力下降——吸附能力完全喪21在某些情況下，輻照后可以選用適當的絮凝劑處理，清除沉淀組分.在不含氧(少量氧)條件下對有機污染物進行輻照，可以使其中的溶解性高分子有機物的水溶性下降。從而易于用凝聚沉淀法除去。輻照-絮凝處理也可以減少需要照射的劑量。對于用作表面活性劑的聚乙二醇辛基苯基醚和用作聚合劑的聚乙烯醇等輻照后采用沉淀處理都很有效。絮凝劑：可使液體中分散的細粒固體形成絮凝物的高分子聚合物輻射-絮凝沉淀處理

在某些情況下，輻照后可以選用適當的絮凝劑處理，清除沉淀組分.22輻射—絮凝法與生化處理城市污水的優(yōu)缺點對照輻射—絮凝法與生化處理城市污水的優(yōu)缺點對照23臭氧的氧化選擇性很強，對只含有飽和鍵的有機化合物幾乎不起反應，例如，乙二醇基本上不能被臭氧氧化。對帶有不飽和鍵的有機物及-OH、=NH、-NH2官能團均易于反應。1.既能使水漂白，又能大大降低溶解有機碳(DOC)。O3處理廢水，先與水分解產生羥基自由基·OH，然后通過這些·OH自由基與有機污染物分子反應，當采用輻射-臭氧作聯(lián)合處理時，除產生·OH自由基外，還產生水合電子eaq-、氫自由基·H等其他活性粒子，使有機物發(fā)生連鎖氧化反應。2.與輻射法單獨處理相比的優(yōu)點是，即使是濃度很低的有機物也能得到有效地去除。輻射-臭氧處理的優(yōu)點：輻射-臭氧處理臭氧的氧化選擇性很強，對只含有飽和鍵的有機化合物幾乎不起反應24輻射處理廢水的影響因素

輻射類型及其能量分布、射線在水中的穿透能力、輻射與水相互作用體積的幾何形狀以及水對輻射通量的“厚度”。高能電子束的可控性好，反應速率快，但是穿透能力較弱。γ射線的穿透能力較強，但是輻射劑量較低而使反應時間偏長。針對輻照射線的特點合理地設計輻照條件（如輻照劑量、時間、溫度、廢水厚度等）可以有效地實現廢水的處理，另外，通過改變其他輻照反應體系和條件(如氧氣濃度、pH、微量添加物等)，可控制主要輻照產物的產額，繼而使反應朝著所需的方向進行。輻射處理廢水的影響因素輻射類型及其能量分布、射線在水中的穿25三、固體廢棄物處理

可回收的高分子固體廢物需消毒的固體廢物三、固體廢棄物處理可回收的高分子固體廢物需消毒的固體廢物26廢塑料聚四氟乙烯（PTFE）

形勢：全球氟樹脂的消費量約為12萬噸，其中70%左右為PTFE。而我國每年大約有1000t左右的廢舊PTFE有待回收利用。PTFE價格昂貴——回收經濟又環(huán)保PTFE處理難度：PTFE極其穩(wěn)定，不能生化分解，難機械破碎，用高溫處理會產生大量有毒的氟化物。高分子固體廢物廢塑料聚四氟乙烯（PTFE）形勢：全球氟樹脂的消費量約為127廢塑料聚四氟乙烯（PTFE）

日本曾用γ射線輻照與加熱法聯(lián)合處理，再機械破碎，得到分子量不同的納米級聚四氟乙烯蠟狀粉末，可作為優(yōu)良的潤滑劑（耐高溫）和添加劑，加入潤滑油、潤滑脂中，可大大提高這些產品的質量。對廢棄的聚四氟乙烯粉末進行輻照制造墨水、衣服以及潤滑劑的主要成分?，F在也成為工業(yè)界的一個熱點。在輻照期間，各種降解產物都具有廣泛的應用。如全氟烯烴，可以轉化為具有特殊性能的氟化表面活性劑，也可以氧化為特殊用途的全氟羧酸。作為副產品出現的全氟烷烴，可以用做高質量的絕緣材料、溶劑和潤滑劑，滿足某種特殊需求。輻射誘發(fā)塑料降解：可通過所使用的劑量、劑量率和溫度來控制輻射誘發(fā)過程。高分子固體廢物廢塑料聚四氟乙烯（PTFE）日本曾用γ射線輻照與加熱法聯(lián)合28廢橡膠

輻射技術可用于橡膠的硫化和廢舊橡膠的脫硫化——成熟技術高分子固體廢物輻射回收橡膠原理輻射處理主要是利用橡膠對電子束和γ射線獨有的敏感性，使廢舊橡膠發(fā)生化學鏈解聚，從而獲得有價值的加工特性和改進它們的耐用性。在輻照劑量達到70kGy時可以明顯增強原始橡膠樹脂和回收橡膠混合物的可塑性質，而對“拉長”等其他物理性質影響不大。大多數橡膠彈性體在射線作用下發(fā)生交聯(lián)反應，只有極少數含4價碳原子基團的膠種如丁基硫化膠等在高能輻射場下呈現降解反應。廢橡膠輻射技術可用于橡膠的硫化和廢舊橡膠的脫硫化——成熟技29廢橡膠

丁基橡膠丁基硫化膠主要用來制造汽車輪胎，而丁基橡膠是生產丁基硫化膠的主要原料。丁基硫化膠在輻照下發(fā)生降解反應，降解程度取決于輻照劑量，所以通過調節(jié)輻射劑量就可以方便地產生不同相對分子質量和不同塑性值的丁基再生橡膠，再生的效果非常理想。目前我國丁基橡膠的回收再利用已經達到了每年2000t的水平。商業(yè)產品中的橡膠樹脂25%是基于被回收利用的橡膠。另外，回收的橡膠還可以用在屋頂和船只的防水材料中。高分子固體廢物廢橡膠丁基橡膠丁基硫化膠主要用來制造汽車輪胎，而丁基橡膠30廢橡膠

輻射回收橡膠過程先把舊輪胎切割成小碎片，然后用高能電子束或γ射線輻照，使大分子網絡結構分解，從而改變了橡膠力學的性質。破碎的纖維分離之后，原料便可與其它組分混合用于生產新輪胎。優(yōu)點：整個回收利用過程相當環(huán)保，幾乎沒有污染。缺點：只適用于丁基橡膠等少數膠種的再生。高分子固體廢物廢橡膠輻射回收橡膠過程先把舊輪胎切割成小碎片，然后用高能電31醫(yī)療廢物和港口垃圾

醫(yī)療廢物：含有大量的致病菌、病毒，還含有化學藥品，甚至重金屬化合物，還有大量還有大約20%的塑料。港口垃圾：食品碎屑、塑料、纖維素等，可能存在潛在的動物傳染病原體。

貯存和運輸廢物的容器：重復使用前應該進行清洗和消毒。傳統(tǒng)處理方式：加熱(100℃以上至少30min)或焚化(產生毒氣)在新處理方式：輻射處理(輻照裝置設在港區(qū)，能自動和連續(xù)工作)需消毒固體廢物醫(yī)療廢物和港口垃圾醫(yī)療廢物：含有大量的致病菌、病毒，還含32污泥

環(huán)境狀況：警戒水平。每人每年大約產生26kg（干重）污泥。美國每年花費20多億美元進行污泥的處理和管理來自超過13000個公立處理工廠的5～7百萬噸（干重）生物固體。在中國，2005年就產生了大概350萬噸（干重）污水污泥。污泥特點：含水(高)、有機物、病原體和少量重金屬——大量能量和生物價值1979年，美國環(huán)境保護局（EPA）發(fā)布CFR257法規(guī)，要求控制污泥中的病原體。1982年9月，該局又在補充環(huán)境影響報告中提出，下水系統(tǒng)的污泥是有用的資源。

需消毒固體廢物污泥環(huán)境狀況：警戒水平。需消毒固體廢物33輻射處理污泥

污泥輻照的優(yōu)點：輻射技術是目前國際上普遍認為很有前途的污泥處理方法(1)能殺死污泥中的病菌和病毒，消毒效果比熱處理可靠；(2)不破壞污泥中的有機氮化物，不會減少了污泥的肥力和產生難聞的臭味(巴氏熱處理法中氮損失較多，污泥的肥力下降)；(3)能防止污泥中的雜草種子發(fā)芽，但不會影響正常種子的發(fā)芽；(4)處理溫度較低(25～30℃)，減少對工廠設備的腐蝕；(5)可以氧化有毒的和危險的有機物污染物（如殺蟲劑、除草劑、多氯聯(lián)苯等），把難于生物降解的物質轉化為容易降解的化合物；(6)輻照后的污泥具有良好的脫水性能(各種原始水樣在沉積時形成的淤泥的體積比運到消毒工廠的污水體積要小1到2個數量級)，可省去化學絮凝劑和一些相應的設備。污泥經輻照滅菌后，可作為肥料直接在農田使用。需消毒固體廢物輻射處理污泥污泥輻照的優(yōu)點：輻射技術是目前國際上普遍認為34世界第一個污泥輻照廠——格梭布爾拉治處理廠（GeiselbullachTreatmentPlant），1973年建在德國慕尼黑東10km處，60Co源，1983年補充安裝137Cs輻射源。需消毒固體廢物美國(1976波士頓deer島，1984弗洛尼達州邁阿密)、印度（1985西部城市Boroda）、日本(原子能研究所高崎輻射化學研究中心)、澳大利亞、桑迪亞等國也建立了污泥輻照裝置。污泥的高能電子輻照系統(tǒng)

輻射處理污泥

Deer污泥輻照廠流程圖世界第一個污泥輻照廠——格梭布爾拉治處理廠（Geiselbu35利用輻射技術治理“三廢”，可以改善人類生存環(huán)境。核能作為一種清潔能源，能夠明顯減少有害氣體的排放，從而有效地保護環(huán)境。核能和核技術必將促進人類、能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展！36利用輻射技術治理“三廢”，可以改善人類生存環(huán)境。36

核分析技術在環(huán)境中的應用

2009.11.6第七章核技術在環(huán)境中的應用

第二部分

核分析技術在環(huán)境中的應用2009.11.6第七章核技37核分析技術的原理被測定的材料或樣品自身衰變或在電離輻射的作用下產生輻射特征，測量其輻射特征確定核素種類，經過計數效率刻度可進一步確定樣品中核素的活度、含量等信息。核分析技術的原理被測定的材料或樣品自身衰變或在38核分析技術的特點

高靈敏度

AMS分析10-6g樣品，中子活化分析靈敏度在10-6g～10-13g之間，放射性示蹤法可測到10-11g～10-18g水平，RBS可分清樣品表面層或深層nm量級的厚度結構。高準確度和精密度高分辨率（包括空間分辨率和能量分辨率）通常是非破壞性分析中子照相可更深地洞察物體內部結構，可看到材料內部缺陷，子彈內部的火藥填充情況等。多元素測定用ICP-AES可以在幾分鐘內就從一份樣品中獲得多達50種甚至更多元素的數據。

易實現自動化分析和遠距離控制核分析技術的特點高靈敏度39環(huán)境研究中應用的核技術方法中子活化技術：從總量分析發(fā)展到元素的化學總態(tài)分析。同位素示蹤技術（Isotopictracermethod）：廣泛應用在環(huán)境大氣和水中擴散模式的實驗研究。同步輻射X射線熒光分析：廣泛應用于環(huán)境樣品的形態(tài)分析，在珍稀的極地環(huán)境樣品（例如，氣溶膠，骨胳和殘骨，冰雪）地分析研究中也是首選的分析手段之一。穆斯堡爾譜學（M?ssbauereffect）：成功用于大氣中鐵微粒的鑒別，不僅能分析出污染量，而且能給出污染物的化學總態(tài)。環(huán)境研究中應用的核技術方法中子活化技術：從總量分析發(fā)展到元40環(huán)境研究中應用的核技術方法加速器質譜技術（Acceleratormassspectrometry，AMS）：是一種超高靈敏度現代核分析技術，主要用于長壽命放射性核素的同位素豐度比的分析，從而推斷樣品的年齡或進行示蹤研究，其探測下限可達10-2至10-15。低溫等離子體技術：廣泛應用于污染物的分析鑒別及廢氣、廢液及廢渣的治理。固體核徑跡探測技術：在災變環(huán)境、室內氡氣的監(jiān)測等方面有重要作用。流動γ譜儀尋測技術，可以快速進行大地輻射劑量分布和相應核素活度的測量。環(huán)境研究中應用的核技術方法加速器質譜技術（Accelera41活化分析（ActivationAnalysis）

活化分析技術始于1936年（化學家赫維西（GHevesy）和列維（HLevy）進行了歷史上的第一次中子活化分析，已有70余年歷史）。活化分析技術對于固體環(huán)境樣品（如大氣塵埃、氣溶膠、植物樣品、大氣懸浮物等）中的痕量元素分析具有明顯的優(yōu)越性?；罨治觯ˋctivationAnalysis）活化分析42活化分析中子活化分析（NeutronActivationAnalysis,NAA）中子活化分析靈敏度高、精度好，并可進行多個元素的同時測定，原則上可以測定原子序數1～83中的77種元素。帶電粒子活化分析（ChargedParticleActivationAnalysis,CPAA）帶電粒子（p、d、3He、等）核反應發(fā)生在樣品表面，是表面分析的重要手段之一，測定其它活化分析難以測定鋰、鈹等輕元素和不適合于NAA的某些中、重元素。光子活化分析（PhotonActivationAnalysis,PAA）測定碳、氮、氧、氟等輕元素和鈦、鐵、鋯、鉈和鉛等中、重元素。與帶電粒子活化分析相比，干擾反應較少?；罨治鲋凶踊罨治觯∟eutronActivation43中子活化分析原理由于射線的能量和半衰期是放射性核素的特征，通過測定放射性核素的半衰期或者放射線的能量，便能定性，通過測定射線強度，便可定量。中子轟擊待測試樣核反應瞬發(fā)輻射放射性核素衰變緩發(fā)輻射測能量測強度測能量測強度定性定量定性定量中子活化分析的基礎是核反應。例如：24Na的半衰期是15.03h中子活化分析原理由于射線的能量和半衰期是放射性44中子活化分析的優(yōu)點

靈敏度高：10-6至10–13g，取樣量少（可少至1g左右）；準確度高，精密度好：5%；多元素分析能力。不需溶樣，無試劑空白：中子活化分析一般在照射前不作任何化學處理；可實現非破壞分析；基體效應?。哼m合于各種化學組成復雜的樣品，如核材料、環(huán)境樣品、生物組織、地質樣品等?？蓪崿F活體分析：這是其他方法難以做到的。中子活化分析的優(yōu)點靈敏度高：10-6至10–13g，45中子活化分析的缺點

分析的靈敏度因元素而異，且變化很大；由于核衰變及其計數的統(tǒng)計性，致使中子活化分析存在獨特的分析誤差；中子活化分析的設備比較復雜，價格較貴，還需要有一定的放射性防護設施。一般給出分析結果的時間較長。中子活化分析的缺點分析的靈敏度因元素而異，且變化很大；462.樣品傳送裝置中子活化分析設備反應堆;加速器;同位素中子源.1.中子源：中子能譜很寬，能量0.001eV到15MeV，可對周期表中2/3元素的瞬發(fā)NAA具有極高靈敏度，極限10-8g。占全部NAA95%以上?；诩铀倨鳟a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﹒s,1μg～2.3×106n/s3.射線探測器活化分析短壽命核素跑兔裝置能譜測量裝置HPGe或Ge(Li)探測器2.樣品傳送裝置中子活化分析設備反應堆;1.中子源：中子能譜47NAA在大氣樣品測試中的應用

研究大氣污染問題，必須測定污染物的化學組份。除常用的化學分析方法以外，普遍采用的有：AES、AAS、XRF、ICP-AES、PIXE及NAA等。

氣溶膠的特點：所含的元素濃度很低；氣溶膠中含有大量元素，需要進行多元素分析；氣溶膠中有經高溫灼燒過的碳質微粒，較難完全溶解，還含有部分易揮發(fā)的元素（如Hg、As、Se等），因此要求用不破壞樣品的分析方法、才能準確地測定其全量。NAA在大氣樣品測試中的應用研究大氣污染問題，必須測定污染48氣溶膠特征研究方法1.布點：采樣地點和高度；2.采樣方法：采樣方式、時間、頻率、流速和濾膜選擇等。氣溶膠采集方法主要有八種：重力沉降、離心分離、慣性收集、干撞擊、過濾、靜電沉降、熱沉降、超聲凝聚。使用的最普遍的方法是過濾式（采集氣溶膠總顆粒）以及撞擊式（采集不同粒徑的氣溶膠顆粒）兩種。布點——采樣——制樣——輻照——測量及數據處理氣溶膠特征研究方法1.布點：采樣地點和高度；布點——采樣49核技術在環(huán)境中的應用課件50核孔濾膜對小顆粒收集效率高，但氣流速度相對較低。Whatman41濾膜對亞微米顆粒的收集效率為85%～90%。Zefluor濾膜在32L·min-1流量條件下，對0.3μm顆粒的收集效率為99%。氣溶膠特征研究方法濾膜的選擇（1）濾膜的種類：有機濾膜（Nclepore濾膜、Whatman41濾膜、Zefluor濾膜）、玻璃纖維濾膜（Micro-sorban）等；一般有機濾膜適于采集≥0.3μm的顆粒。玻璃濾膜纖維阻力較小，收集效率相對較低，適于大容量采樣器。

（2）濾膜的純度

采樣濾膜的純度是確定被測元素探測極限的決定因素。國內外常用的幾種純度較好的濾膜是：Zefluor濾膜、Fluoropore濾膜、Nclepore濾膜、Whatman41濾膜和國產新華濾紙。國產一號濾紙核孔濾膜對小顆粒收集效率高，但氣流速度相對較低。Whatma51氣溶膠特征研究方法3.樣品與標準的制備——示例

：

（1）在采樣過程中，由于濾膜易受潮，必須在恒溫恒濕的條件下稱量采樣前后的濾膜，以求得采集氣溶膠粒子質量。將稱量后的樣品濾膜用尼龍沖模壓成3mm~8mm的薄片，備作照射用。（2）標準樣品盒布點——采樣——制樣——輻照——測量及數據處理氣溶膠特征研究方法3.樣品與標準的制備——示例：布點—52氣溶膠特征研究方法中子輻照試樣所產生的放射性活度取決于下列因素：①試樣中該元素含量的多少，嚴格地講，是產生核反應元素的某一同位素含量的多少；②輻照中子的注量（會影響可測出氣溶膠中元素種類以及它們的探測極限）；③待測元素或其某一同位素對中子的活化截面；④輻照時間等。

布點——采樣——制樣——輻照——測量及數據處理4.樣品輻照氣溶膠特征研究方法中子輻照試樣所產生的放射性活度取決于下列53在微型反應堆上進行的，樣品裝在聚乙烯照射筒內，然后放入“跑兔”，用氣動傳送裝置將“跑兔”送入微型堆中心管道（中子注量率為9×1011m-2·s-1）。照射10min后，將“跑兔”送回到分裝箱內，然后將“跑兔”及照射筒除去，樣品轉入測量小盒內，傳送至測量裝置的探測器上，進行測量。

1.短照射（利用短壽命核素進行測定）

2.長照射（利用中、長壽命核素進行測定）將經過短照射測量后的樣品，冷卻一星期后，用超純鋁箔包緊，與標準及作為質量監(jiān)控的標準參考物一起裝入照射的鋁筒類，送入重水型核反應堆管道（中子注量率為6×1013m-2·s-1），照射20h～40h。樣品照射后，轉移至塑料測量盒內，冷卻5d～6d后，先測量一次，計數時間為2000s，冷卻15d～16d，再進行第二次測量，計數時間為4000s。在微型反應堆上進行的，樣品裝在聚乙烯照射筒內，然后放入“跑兔54原子能院微型反應堆堆芯功率27kw,容積11L,235U濃縮90%,重9.15g。中子通量內照1×1012n/cm2.sec,外照5×1011n/cm2.sec原子能院微型反應堆555.放射性測量及數據處理根據各放射性核素的性質，用不同的照射時間及衰變時間分別測得各個試樣的γ能譜。用計算機進行數據處理，程序經過尋峰、凈峰面積的計算及同位素鑒別和分析后，得到各核素特征峰的凈峰面積，經過各個干擾貢獻的扣除校正后，與標準進行比較，即可計算出試樣中個待測元素的含量。

氣溶膠特征研究方法布點——采樣——制樣——輻照——測量及數據處理

60Co的γ能譜5.放射性測量及數據處理氣溶膠特征研究方法布點——采樣—56照射和技術程序圖解照射和技術程序圖解57NAA在水樣測試中的應用

NAA在淡水（河、湖、雨、沼澤水）、海水和地下水分析中得到廣泛應用該中子活化分析實驗室對渤海灣水系、京津地區(qū)主要河流、新疆天山和吐魯番盆地等包括淡水、海水在內的各種天然水中Ca、Na、Cr、Fe、Co、Rb、Cs、Hf、Sc、La、Ce、Nd、Sm、Yb、Lu、U、Th等多種元素的背景值進行了測定。我國早期研究——中國科學院高能物理研究所中子活化分析實驗室NAA在水樣測試中的應用NAA在淡水（河、湖、雨、沼澤水）58布點—采樣—制樣（低含量需預濃縮）—輻照—測量及數據處理NAA在水樣測試中的應用

Dy、Eu、Au、F、Mn、In、Lu、Sc、Sm等檢出限可達10-4～10-5μg·L-1

Co、Rh、Ir、As、Sb、Tb、Th、U、As、Yb、Br、Re等檢出限可達10-3μg·L-1。分析方法的探測極限取決于樣品基體組分和測量條件布點—采樣—制樣（低含量需預濃縮）—輻照—測量及數據處理N59NAA在固體樣品測試中的應用

土壤樣品（還有底泥）；生物樣品（頭發(fā)、魚、骨頭等）；植物樣品（土豆、玉米等）;巖石。分析流程與氣、水樣品相同，采樣和制樣不同NAA在固體樣品測試中的應用土壤樣品（還有底泥）；分析流程60(地球表層銥Ir含量極低﹤1μg/kg,地外隕石達幾百μg/kg，可以作為地外物質指示元素。)地球外星球撞擊說法地球形成4600百萬年，生物遺跡(化石)追溯到3500百萬年前,生物進化過程史上發(fā)生25次大災變，其中發(fā)生過5次古生物滅絕事件。什么原因？寒武系末期，距今570百萬年前泥盆系末期360百萬年前二疊系末期245百萬年前三疊系末期208百萬年前T系白堊系末期65百萬年前K系1980美伯克利實驗室中子活化測量意大利等地區(qū)（西班牙、加拿大、美、新西蘭），分析三疊系末期與白堊系期地質界線粘土層發(fā)現Ir高出背景值30-160倍。NAA應用示例——地球災變

(地球表層銥Ir含量極低﹤1μg/kg,地外隕石達幾百μ61拿破倫1821年5月5日死于流放的小島上。有許多猜測：胃癌、謀害、進入金字塔受驚而死等。1961年一位瑞士人給英國法醫(yī)部門送去了一個寫有“不朽的拿破倫之發(fā)”的信封。是拿破倫死后第2天整容時取下的。中子活化分析分段測量發(fā)現頭發(fā)內砷（As）含量高達1110-6克，超出正常人13倍。推算砷中毒時間長達數月。結論：拿破倫死于砒霜（As2O3)慢性中毒急性發(fā)作。NAA應用示例——生物體中微量元素的測定拿破倫1821年5月5日死于流放的小島上。有許多猜測：胃癌、62——新浪網、中國新聞網

2003年建立“清光緒帝死因”專題研究課題組。歷時五年，由光緒帝發(fā)砷入手，利用NAA、XRF、AFS等一系列現代技術對清西陵文物管理處提供的光緒遺體的頭發(fā)、遺骨、衣服以及墓內外環(huán)境樣品進行分析，發(fā)現光緒的頭發(fā)截段和衣物上含有劇毒的三氧化二砷即砒霜，而其腐敗尸體僅沾染在部分衣物和頭發(fā)上的砒霜總量就已高達約201mg。常人口服砒霜60～200mg就會中毒身亡。2008.11.14光緒帝去世一百周年，光緒死因得以確證2008.11.2最新報導光緒皇帝1908.11.14死于急性砒霜中毒

光緒(1871年-1908年)

——新浪網、中國新聞網2008.11.2最新報導光緒皇帝163中子活化分析的現狀電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）：作為另外一種非核多元素分析方法發(fā)展極為迅速，分析靈敏度大大提高，儀器大量普及，使得中子活化分析方法面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。中子活化分析在固體固體樣品（包括大氣顆粒物）的測試方面與ICP-MS相比有明顯的優(yōu)勢：由于活化分析不需溶樣，避免了樣品制備和樣品溶解可能帶來的丟失和污染（尤其是超低含量元素）。中子活化分析的現狀電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）：作為64同位素示蹤技術的應用同位素示蹤法是利用放射性核素（或穩(wěn)定性核素）作為示蹤劑對研究對象進行標記的微量分析方法。同位素示蹤技術的應用同位素示蹤法是利用放射性核素（或穩(wěn)定性核651、1858年，由于電力工業(yè)發(fā)展，發(fā)現了陰極射線。2、1895年，Roentgen（德）在重復陰極射線實驗時，發(fā)現Χ射線。3、1896年，Becquerel（德）在研究發(fā)出磷光的物質中，第一次發(fā)現了自然界放射性物質。4、1898年，Curie夫婦用人工方法從瀝青中提煉出放射性物質：Po和Ra。5、1903年，Ratherford（英）用磁場和電場作核和電子實驗，證明α、β射線分別是氮。6、1923年，Hevesy首先創(chuàng)建了同位素示蹤實驗，采用天然放射性核素201Pb研究了鉛鹽在豆科植物內的分布及轉移。同位素示蹤技術發(fā)展概述1、1858年，由于電力工業(yè)發(fā)展，發(fā)現了陰極射線。同位素示蹤66同位素示蹤技術發(fā)展概述7、1934年，Curie夫婦發(fā)現人工放射現象，獲得具生物意義的32P、45Ca等。8、1940年，Ruben等用18O示蹤發(fā)現光合作用O2來自于水的光解。9、1952年，Hershey和Chase使用35S和32P雙標記噬菌體感染實驗證明DNA是遺傳信息的載體，在50年代還利用14C確定了光合作用最初產物是PGA，并提出了卡爾文循環(huán)。10、60年代，使用14C、13C、18O等，發(fā)現了植物光呼吸作用。11、1977年，Sanger等采用放射性標記技術和ARG技術，成功地進行了DNA序列測定?！S后的加速器、反應堆等生產設施及設備的建立，為放射性核素示蹤法更快發(fā)展和廣泛應用提供了物質條件。同位素示蹤技術發(fā)展概述7、1934年，Curie夫婦發(fā)現人工67示蹤方法：將含有同位素的標記化合物（如標記食物、藥物、代謝物等）代替相應的非標記化合物。利用放射性核素不斷地放出特征射線的核物理性質，就可以用核探測器隨時跟蹤的位置、數量及其轉變等，穩(wěn)定性同位素雖然不釋放射線，但可以利用它與普通相應同位素的質量之差，通過質譜儀、氣相色譜儀、核磁共振等分析儀器來測定。放射性核素作為示蹤劑靈敏度高，測量方法簡便易行、能準確地定量、定位并符合所研究對象的生理條件。穩(wěn)定性同位素作為示蹤劑時，靈敏度較低、可獲得的種類少、價格較昂貴，應用范圍受到限制。獲得物質的運動和變化規(guī)律；采用同位素示蹤技術測量樣品，往往無需分離即可達到極高的測定靈敏度和準確度。同位素示蹤技術的優(yōu)點：兩種示蹤技術比較：示蹤方法：將含有同位素的標記化合物（如標記食物、藥物、代謝物68從事放射性操作時要有相應安全防護設施和條件；對于輕元素示蹤必須注意到示蹤劑的同位素效應；同位素效應是指放射性核素與相應的普通元素之間存在著化學性質上的微小差異所引起的個別性質上的明顯區(qū)別，輕元素同位素效應比較嚴重。如：用氚水作示蹤劑時在普通H2O中的含量不能過大，否則會使水的物理常數、對細胞膜的滲透及細胞質粘性等都會發(fā)生改變。生物體內進行示蹤必須注意到輻射效應，用量應小于安全劑量，避免生物機體受到輻射損傷而得到錯誤的結果。示蹤操作時注意的問題：從事放射性操作時要有相應安全防護設施和條件；示蹤操作時注意的69常見金屬類污染元素與可以用于示蹤的核素

常見金屬類污染元素與可以用于示蹤的核素70土壤侵蝕的示蹤研究14C斷代同位素示蹤技術的應用：污染物在土壤、地表水、地下水中的遷移行為研究。污染物在生物鍵中轉移規(guī)律的研究、污染物處理的機理研究核廢物處置中關鍵核素的遷移轉化規(guī)律研究。應用示例：土壤侵蝕的示蹤研究同位素示蹤技術的應用：污染物在土壤、地表水71土壤侵蝕是地表物質遷移的重要形式，也是重大環(huán)境問題之一。了解土壤侵蝕機理和運移途徑是控制侵蝕的科學基礎。有關土壤侵蝕的測定方法可以分為3類：

侵蝕小區(qū)測定法：費用昂貴，勞動強度大，難以應用于土壤侵蝕的大范圍空間變化及土壤遷移的空間分配研究，無法提供長期的侵蝕數據。

普查法：采用某地區(qū)或流域的航片調查，對于小河和溪谷進行現場調查，以計算土壤侵蝕量。該法需要對該地區(qū)或流域的土壤侵蝕特點有初步了解，可提供超過5年的土壤侵蝕數據。缺點是未考慮濺蝕、片蝕和風蝕的影響，難以對土壤沉積及較長時期的土壤侵蝕量估算。

示蹤劑法：利用自然界中定量沉降到地表或水體中的人工或天然放射性的核素在土壤中的存在情況，對比參考點推斷出某時間段內發(fā)生的侵蝕作用。近代土壤侵蝕的示蹤研究應用示例土壤侵蝕是地表物質遷移的重要形式，也是重大環(huán)境問題之一。了解72示蹤法可對土壤侵蝕的空間變化、土壤不同層次的形成年代、土壤遷移的空間分配進行研究，并估算長期(大約40a)土壤侵蝕量,克服了侵蝕小區(qū)觀測法和普查法的不足之處。常用的示蹤核素有7Be和137Cs與鐳（如226Ra和228Ra）、鉛（210Pb）的某些同位素。應用最多的是7Be和137Cs。7Be

：7Be是宇宙線轟擊大氣中N、O靶核而產生的散落核素，T1/2=53.3d，平均壽命76.5d。進入湖泊中的7Be在短期內便可轉移到沉積物中，平均寄宿時間為77d。137Cs：137C是核爆炸產生的放射性核素，有較長半衰期(30.2a)，是研究累積性土壤侵蝕過程的良好示蹤劑。其可靠性是以137Cs在土壤中與湖泊沉積物中137Cs絕大部分處于固定態(tài)的穩(wěn)定性為基礎的。226Ra和228Ra：226Ra和228Ra的半衰期分別為1622a及5.75a，具較大的溶析遷移能力。在碳酸鹽相和可交換部分中228Ra的相對比例均明顯高于226Ra，所以228Ra的侵蝕遷移能力大于226Ra。侵蝕區(qū)：活度226Ra/228Ra>1，堆積區(qū)：活度226Ra/228Ra≤1，利用二者的比例關系可用于示蹤表土的侵蝕狀態(tài)。210Pb：210Pb是自然環(huán)境中存在的天然放射性核素，在辨識過去100多年大氣顆粒沉降和遷移途徑，流域侵蝕以及沉積計年等方面具有重要的示蹤價值。示蹤法可對土壤侵蝕的空間變化、土壤不同層次的形成年代、土壤遷737Be是宇宙線轟擊大氣中N、O靶核而產生的散落核素，半衰期為53.3天，平均壽命76.5天。進入湖泊中的7Be在短期內便可轉移到沉積物中，平均寄宿時間為77天。7Be作為宇宙線成因的短壽命散落核素，在示蹤季節(jié)性土壤侵蝕及其與湖泊沉積的耦合關系方面具有特殊意義。自大氣散落到地表的絕大部分7Be存在于土壤顆粒中，并隨土粒遷移。

7Be在表土層中累積值、表觀比活度和最大滲透深度可作為土粒遷移的示蹤參數。

7Be較短的半衰期使之為示蹤含有新近沉降7Be的沉積物提供了手段。

7Be這種性質使之適合于示蹤短期內某種土地利用方式下的土壤空間分配作用，并與其它反映中長期土壤侵蝕的放射性核素示蹤技術相結合，共同表征某個流域的土壤侵蝕作用及土壤空間再分配作用的強度和特點。7Be的示蹤7Be是宇宙線轟擊大氣中N、O靶核而產生的散落核素，半衰期為747Be的來源及示蹤應用原理:由對流和同溫層中氧氮在宇宙射線作用下分裂生成；7Be通過降雨到達土壤表面，并被表層土壤吸附；土壤中水溶態(tài)和可交換態(tài)的7Be占總量的不到1%；7Be在海洋沉積物中與同地區(qū)土壤散落數量相當；與基準點相比，土壤7Be總活度損失說明該采樣點發(fā)生了侵蝕，土壤7Be總活度增加表示可能出現了沉積。土壤7Be的剖面分布特征：

7Be活度值是可估算的，分布情況隨土壤類別而不同。沼澤土中7Be最大剖面分布深度為40~50mm，未飽和的沼澤土中雨水下滲速度快，使7Be的剖面分布更深；沖積土表層7Be僅分布于0~20ｍｍ范圍內，且其最大分布深度受植被覆蓋和土壤容重和結構的影響。7Be的來源及示蹤應用原理:與基準點相比，土壤7Be總活度損7514C斷代：利用宇宙射線產生的放射性同位素14C來測定含碳物質的年齡大氣層上部宇宙射線產生的次級中子與大氣中14N發(fā)生14N(n,p)14C核反應。由于14N在大氣中很豐富，14C的產率主要取決于宇宙射線的強度。放射性14C又不斷衰變，這樣使14C的濃度在大氣圈、水圈、生物圈中達到動態(tài)平衡。一般14C/C的比值約為10-18。一旦生物體死亡，則碳循環(huán)交換作用停止，14C只有衰變，不再增長。應用示例RadioactiveDating

14C斷代：利用宇宙射線產生的放射性同位素14C來測定含碳物76應用示例耶穌“裹尸布”

基督教信奉耶穌基督為救世主，據記載耶穌基督降生、言論、被處死、復活升夭的《新約全書》和《馬太福音》描述，耶穌在公元初被釘死在十字架上,取下來的時用白布包裹的，三天后人去布留，死而復生，40天后升天，只留下了這塊耶穌基督的“裹尸布”。在意大利都靈大教堂里珍藏一塊長4.36米、寬1.1米帶有血污的白色麻布，據說這塊白色麻布就是耶穌基督的“裹尸布”。1986年用14C分析，由國際上三個著名的14C實驗室測定，表明這塊“布”在公元1260—1380年之間的可能性為95％，不會早于公元1200年。應用示例耶穌“裹尸布”基督教信奉耶穌基督為救世主，據記載77核分析技術在環(huán)境中應用的其他事例利用中子測定土壤含水量所得到數據是在探頭周圍某個范圍內的平均含水率，如果確實要求測定定點水分含量，則應選擇其它方法，例如γ射線法。核分析技術在環(huán)境中應用的其他事例利用中子測定土壤含水量78核分析技術在環(huán)境中應用的其他事例γ射線測定土壤含水量國外已經有定型的產品，其中較精密的采用了能量辨別裝置，在源與探測器間進行了精密準直，從而使深度分辨能力達到2cm。核分析技術在環(huán)境中應用的其他事例γ射線測定土壤含水量79習題輻射技術的優(yōu)缺點有哪些？輻射技術在固體廢物處理方面的應用主要有哪些？輻射處理常用的射線類型及其發(fā)生裝置有哪些？哪些核技術方法可以應用于環(huán)境領域？說明用中子活化法分析氣溶膠顆粒中金屬元素含量的基本流程、所需要的裝置及操作過程中的注意的要點。輻照處理污泥的優(yōu)點有哪些？有溶液500克，其中含有CsCl及其示蹤物，取溶液2克，測得其放射性為1200cpm，加入CsCl載體10克，等溶液中同位素交換完全后，取樣分離，得到純CsCl1.0克，其放射性為2×104cpm。求原溶液中CsCl的量。一、問答題：二、計算題：習題一、問答題：二、計算題：80再見！再見！81演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！82第七章

核技術在環(huán)境領域中的應用2009.9.27第七章

核技術在環(huán)境領域中的應用2009.9.2783核技術的應用領域

軍事科學研究考古工業(yè)農業(yè)核醫(yī)學環(huán)境核技術核技術診斷與輻照治療輻射育種、輻射不育防治蟲害和同位素示蹤等。檢測與分析,輻射加工通過測定碳-l4的濃度測定文物、化石、煤炭等的年代。環(huán)境污染治理和分析檢測我國的10MeV直線感應加速器中國第一顆原子彈爆炸煙云核物理和放射化學等基礎研究。優(yōu)化的EDTMP結構核技術的應用領域軍事科學研究考古工業(yè)農業(yè)核醫(yī)學環(huán)境核技術核84核技術在環(huán)境中的應用輻射技術核分析技術輻射技術是利用射線與物質間的作用，電離和激發(fā)產生的活化原子與活化分子，與物質發(fā)生一系列物理、化學與生物學變化而發(fā)生改性。應用于環(huán)境(30多年)：污染物治理和廢棄物回用、殺菌

核技術在環(huán)境中的應用輻射技術核分析技術輻射技術是利用射線與物85電離輻射電磁輻射帶電粒子射線不帶電粒子射線X射線射線射線，+射線電子束，射線，質子射線氘核射線，重離子束介子束等中子輻射技術非電離輻射E>50eV電離輻射電磁輻射帶電粒子射線不帶電粒子射線X射線射線，+86電離輻射降解機理

H2O→eaq-,·OH,·H,·H2,H2O2A*→R·+·SA*+RH→AH·+R·AB+·+CD→ABC++D·電離輻射能直接或間接地導致分子的電離和激發(fā)。輻射化學效應主要是水的輻解產物與溶質的反應水輻解生成初生態(tài)·OH、·H等活性很強的自由基，與有機化合物發(fā)生反應(自由基發(fā)生化合、轉移)導致其降解。影響污染物降解速率的主要因素：自由基的濃度和活性位阻效應(自由基的空間立體結構影響自由基的穩(wěn)定性和反應活性)溶劑效應(溶劑與自由基形成絡合物,改變其性質;溶劑的粘度和極化度會改變自由基反應速率)自由基清除劑的影響(如氧氣、醇等會與自由基反應,使其他自由基反應受到抑制)電離輻射降解機理H2O→eaq-,·OH,·H,·H2,H87輻射處理的射線及裝置γ射線——反應堆或反應堆產生的放射性核素。反應堆作為在線照射源，將被照射物放在堆冷卻池中進行在線照射。6027Co源的半衰期為5.26a，每次衰變，放射出能量為1.17MeV和1.33MeV兩種γ射線。

的半衰期為30a，β衰變產生，很快衰變產生γ射線，能量為661.6keV，使用中不需頻繁的換源。輻射處理的射線及裝置γ射線——反應堆或反應堆產生的放射性核素88我國的10MeV直線感應加速器電子束——電子加速器（1MeV～10MeV）。與鈷源（輻射效率大約20%）相比，其最大優(yōu)點是輻照束流集中定向，能源利用充分，輻照效率高達80%以上，不產生放射性廢物，控制方便（不用即關）。輻照處理的射線及裝置我國的10MeV直線感應加速器電子束——電子加速器（1MeV89一、廢氣處理

主要大氣污染物：SOx與NOx電子束照射法(EBA)脫硫脫硝：20世紀90年代俄羅斯科學院西伯利亞分院的核物理研究所制造的加速器供應波蘭和日本，用以凈化煙霧。波蘭用俄羅斯生產的加速器凈化劣質煤燃燒產生大量SO2與NOx。日本利用俄羅斯生產的加速器凈化燒垃圾時所產生的煙霧。一、廢氣處理主要大氣污染物：SOx與NOx20世紀90年90電子束輻照煙氣脫硫脫硝工業(yè)化試驗裝置工藝流程簡圖實驗裝置組成：煙氣參數調節(jié)系統(tǒng)、加速器輻照處理系統(tǒng)、氨投加裝置、副產物收集裝置、監(jiān)測控制系統(tǒng)。銨鹽可作為肥料電子束輻照煙氣脫硫脫硝工業(yè)化試驗裝置工藝流程簡圖實驗裝置組成91電子束輻照法能同時脫硫脫硝，脫硫率>90%，脫硝率>80%。是一種干法處理技術，不產生廢水廢渣；無需催化劑；系統(tǒng)簡單，操作方便，過程易于控制。反應生成的副產品可用作化肥。EBA能有效凈化其它工業(yè)廢氣，如：VOCs，汽車尾氣，有氣味、有毒的氣體及焚燒爐的廢氣等。電子束劑量需求高，電能需求大，運行費用高，輻照后氣溶膠的過濾等。EBA的優(yōu)點：EBA的缺點：EBA的反應機理：（1）自由基生成；（2）SO2及NOx的氧化（3）硫銨和硝銨的生成電子束輻照法能同時脫硫脫硝，脫硫率>90%，脫硝率>80%92二、廢水處理輻射處理廢水始于1956年，最初的研究主要是針對廢水消毒。20世紀70年代初，美國的邁阿密建立了一套大規(guī)模電子加速器，用于廢水和污泥的處理研究。20世紀八十年代，在全世界范圍內有許多有關水和廢水輻射處理的基礎研究和工業(yè)實踐。日本高崎的原子能研究所用電子束和γ射線進行廢水和污泥的輻照處理研究，日本東京的首都同位素研究中心自從1983年起便集中研究輻射處理填埋廢渣的浸出物，以減少微生物和破壞有毒的有機污染物。在德國，有60Co源安裝在760個深井中用于飲水和工業(yè)廢水的處理。在美國，用高能電子處理家庭廢水始于1980年麻薩諸塞州首府波士頓的鹿兒島廢水處理廠。在原捷克斯洛伐克雷澤的核研究所，自從1986年起就已經確定飲用水的輻射研究方案，他們用800Gy劑量的輻照來代替氯氣，以消毒飲用水。印度的巴巴原子研究所研究中心在Baroda的Gajerawadi污水處理廠有一座18.5PBq（500kCi）60Co的中間工廠用以輻照處理廢水或污泥。二、廢水處理輻射處理廢水始于1956年，最初的研究主要是針對93自1987年起，奧地利研究中心一直進行著用電子束輻照從飲用水中去除氯乙烯的研究。位于維也納南的MitlerdorferSenke是歐洲最大的地下水源，但是大部分地下水含四氯乙烯，奧地利在該地區(qū)建立了世界第一個臭氧-電子束結合的商用處理站，用于凈化地下水，使它可以作為飲用水；前蘇聯(lián)利用輻射技術凈化廢水在沃羅涅日市的Voronezh合成橡膠廠已得到工業(yè)應用，輻射裝置有兩條生產線，分別裝備ELV型電子加速器(能量0.7~1.0MeV，功率50kW)，處理橡膠加工廢水中的難降解物質，電子束輻照處理后廢水中的污染物得到初步降解，其可生化性顯著提高。再結合生物化學法處理，得到了很好的效果。前蘇聯(lián)還曾建成一座輻射處理試驗廠，用于抗菌素工廠的廢水處理，其廢水日處理量達到15000m3，經處理的廢水各項指標皆優(yōu)于常規(guī)處理法。巴西于1996年開始研究用電子加速器處理飲用水和污水，在巴西原子能研究所建立了一套大規(guī)模電子加速器水處理的示范裝置，主要用于生活污水的消毒，工業(yè)廢水中染料、苯酚、油和脂的分解及飲用水中三鹵甲烷的去除；韓國三星HeavyIndustries(SHI)與俄羅斯物化所合作，建立了一套電子束處理廢水裝置，處理大丘染化工業(yè)公司的印染廢水，處理量為每天1000m3。此外，韓國還建成了造紙廢水再循環(huán)的電子束處理商用示范裝置，匈牙利、加拿大等國也都建有類似的水處理試驗工廠。我國的輻射研究和輻射應用事業(yè)始于二十世紀中葉，利用核輻射技術對環(huán)境廢物處理已有近三十年的發(fā)展歷史，上海交通大學、中國科學院上海應用物理研究所等單位都曾經進行過電子束輻照處理難降解有機廢水的研究。研究和應用現狀自1987年起，奧地利研究中心一直進行著用電子束輻照從飲用水94廢水輻照處理的功能

去除有機污染物（TOC、BOD、COD）殺菌去除無機污染物廢水輻照處理的功能去除有機污染物（TOC、BOD、COD）95輻照去除有機污染物農藥：Mincher等利用γ射線對PCBs和DDT等類物質進行降解的研究表明，輻照劑量為100kGy時，PCBs的去除率達85%，而DDT輻照50kGy的去除率就已接近100%。GC-MS分析表明，降解產物為低分子量的含氯物質。表面活性物質：輻射技術可以使其分子發(fā)生斷裂而分解成較輕的易于排除的物質，失去發(fā)泡能力。染料：輻射技術可以使含有染料的廢水退色。其他：輻射技術還可以對木質素、硝基苯胺、增塑劑、亞硝胺類、氯酚類(Chlorophenols，CPs)和有機溶劑等進行有效的處理。有機物輻照降解一般以氧化反應為主，保持較高的氧氣含量，可有效提高氧化性自由基的產額，同時抑制還原性物質的產生。輻照去除有機污染物農藥：Mincher等利用γ射線對PCBs96輻照殺菌滅菌原理：細菌是由有機復合物構成的，因此輻照可以有效地使細菌失去活性。滅菌效果影響因素：輻照劑量、輻照區(qū)域內水的溫度、水的穩(wěn)定狀態(tài)、水中存在的化學試劑以及不同類型病菌對輻射的敏感度等。微生物對于給定劑量輻射的敏感性既取決于物理因素（溫度和輻射質量）和化學因素（激活劑和保護劑），又取決于生物的或生理的因素（生長階段和DNA總量）。輻照之前對廢水做適當的預處理，有利于達到微生物最大的致死效應。用比較小的劑量（如0.25kGy～1kGy）進行輻照，對普通細菌（如大腸桿菌、沙門氏菌等），90%的劑量可將它們殺死。輻照殺菌滅菌原理：細菌是由有機復合物構成的，因此輻照可以有效97飲用水的消毒飲用水氯滅菌缺點：1.液氯和二氧化氯的投加增加了水中不揮發(fā)性有機氯化物的含量，2.氯與水中有機物可能會生成有致癌性的三鹵甲烷。GB/T5750.10-2006生活飲用水標準檢驗方法消毒副產物指標GB5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標準輻射滅菌的優(yōu)點：1.不會產生有毒的含氯有機物，2.輻照對于用氯難以殺死的過濾性病毒有很好的消毒作用。3.兼用輻照滅菌還可以大大減少投氯量，在殺滅微生物的同時，輻照還可以促進可能生成三鹵甲烷的前體有機物（如：間苯二酚、丙酮酸、4-氧基苯酚等）的分解。飲用水的消毒飲用水氯滅菌缺點：1.液氯和二氧化氯的投加增加了98輻照去除無機污染物1979年新英格蘭水族館和麻省理工大學研究組指出，足夠對液體污泥消毒的劑量也能有效還原水溶性有毒金屬鹽，而使金屬不易被植物吸收。加拿大原子能公司報道完成從工業(yè)廢水中輻照-浮選回收汞，并實現在醋酸存在下將水合酸性Cr(VI)被電離輻射有效還原為Cr(III)。Schmelling、Mahnaz等分別利用電子束和γ射線對含Pb2+和Hg2+的廢水進行處理。研究表明，金屬離子在輻照產生的水合電子和氫原子作用下，可被還原為低價或單質金屬，并從溶液中沉淀出來。重金屬離子（Pb、Hg、Cd、Cr或它們的鹽）還原為低價或單質金屬（研究階段）.SchmellingD,etal.RadiationPhysicsandChemistry,1998,52(1-6):371-377MahnazC.etal.RadiationPhysicsandChemistry,1998,53(2):145-150輻照去除無機污染物1979年新英格蘭水族館和麻省理工大學研究99輻照去除無機污染物輻射反應以還原反應為主，通過限制氧氣含量而降低·OH的產額，提高·H和eaq-的產生量，同時使用乙醇作為·OH自由基的消除劑，以阻止金屬被重新氧化。（1）Hg+還原（2）汞鹽去除HgCl不穩(wěn)定Hg2Cl2沉淀輻照去除無機污染物輻射反應以還原反應為主，通過限制氧氣含量而100輻射技術與其他廢水處理技術聯(lián)用輻射-微生物處理活性炭吸附-輻射處理輻射-絮凝沉淀處理輻射-臭氧處理輻射技術與其他廢水處理技術聯(lián)用輻射-微生物處理活性炭吸附-輻101輻射-微生物處理法必須在有充分溶解氧的情況下進行，輻射處理含有溶解氧的有機污染廢水時，可以使若干難于被微生物降解的有機污染物成為具有-OH、-CO、-CHO、-COOH等官能團的容易被微生物分解的氧化物。所需的照射劑量小于單獨使用照射時的三分之一。輻射-微生物處理法對于含酚、氯化苯酚、木質素、腐殖酸等有機物的水溶液十分有效。輻射-微生物處理——最有希望獲得財政支持液體廢物處理方法輻射-微生物處理法必須在有充分溶解氧的情況下進行，輻射處理含102活性炭——吸附有機污染物質——吸附能力下降——吸附能力完全喪失——“飽和炭”。采用吸附濃集與輻射聯(lián)合處理，可以提高處理效率。途徑1：活性炭吸附的同時進行輻照，可以在吸附的同時不斷地將活性碳表面上的污染物分解，從而提高處理效率。途徑2：活性炭先進行吸附處理，然后用輻射技術再生用過的活性炭，實現循環(huán)利用?；钚蕴课?輻射處理活性炭——吸附有機污染物質——吸附能力下降——吸附能力完全喪103在某些情況下，輻照后可以選用適當的絮凝劑處理，清除沉淀組分.在不含氧(少量氧)條件下對有機污染物進行輻照，可以使其中的溶解性高分子有機物的水溶性下降。從而易于用凝聚沉淀法除去。輻照-絮凝處理也可以減少需要照射的劑量。對于用作表面活性劑的聚乙二醇辛基苯基醚和用作聚合劑的聚乙烯醇等輻照后采用沉淀處理都很有效。絮凝劑：可使液體中分散的細粒固體形成絮凝物的高分子聚合物輻射-絮凝沉淀處理

在某些情況下，輻照后可以選用適當的絮凝劑處理，清除沉淀組分.104輻射—絮凝法與生化處理城市污水的優(yōu)缺點對照輻射—絮凝法與生化處理城市污水的優(yōu)缺點對照105臭氧的氧化選擇性很強，對只含有飽和鍵的有機化合物幾乎不起反應，例如，乙二醇基本上不能被臭氧氧化。對帶有不飽和鍵的有機物及-OH、=NH、-NH2官能團均易于反應。1.既能使水漂白，又能大大降低溶解有機碳(DOC)。O3處理廢水，先與水分解產生羥基自由基·OH，然后通過這些·OH自由基與有機污染物分子反應，當采用輻射-臭氧作聯(lián)合處理時，除產生·OH自由基外，還產生水合電子eaq-、氫自由基·H等其他活性粒子，使有機物發(fā)生連鎖氧化反應。2.與輻射法單獨處理相比的優(yōu)點是，即使是濃度很低的有機物也能得到有效地去除。輻射-臭氧處理的優(yōu)點：輻射-臭氧處理臭氧的氧化選擇性很強，對只含有飽和鍵的有機化合物幾乎不起反應106輻射處理廢水的影響因素

輻射類型及其能量分布、射線在水中的穿透能力、輻射與水相互作用體積的幾何形狀以及水對輻射通量的“厚度”。高能電子束的可控性好，反應速率快，但是穿透能力較弱。γ射線的穿透能力較強，但是輻射劑量較低而使反應時間偏長。針對輻照射線的特點合理地設計輻照條件（如輻照劑量、時間、溫度、廢水厚度等）可以有效地實現廢水的處理，另外，通過改變其他輻照反應體系和條件(如氧氣濃度、pH、微量添加物等)，可控制主要輻照產物的產額，繼而使反應朝著所需的方向進行。輻射處理廢水的影響因素輻射類型及其能量分布、射線在水中的穿107三、固體廢棄物處理

可回收的高分子固體廢物需消毒的固體廢物三、固體廢棄物處理可回收的高分子固體廢物需消毒的固體廢物108廢塑料聚四氟乙烯（PTFE）

形勢：全球氟樹脂的消費量約為12萬噸，其中70%左右為PTFE。而我國每年大約有1000t左右的廢舊PTFE有待回收利用。PTFE價格昂貴——回收經濟又環(huán)保PTFE處理難度：PTFE極其穩(wěn)定，不能生化分解，難機械破碎，用高溫處理會產生大量有毒的氟化物。高分子固體廢物廢塑料聚四氟乙烯（PTFE）形勢：全球氟樹脂的消費量約為1109廢塑料聚四氟乙烯（PTFE）

日本曾用γ射線輻照與加熱法聯(lián)合處理，再機械破碎，得到分子量不同的納米級聚四氟乙烯蠟狀粉末，可作為優(yōu)良的潤滑劑（耐高溫）和添加劑，加入潤滑油、潤滑脂中，可大大提高這些產品的質量。對廢棄的聚四氟乙烯粉末進行輻照制造墨水、衣服以及潤滑劑的主要成分?，F在也成為工業(yè)界的一個熱點。在輻照期間，各種降解產物都具有廣泛的應用。如全氟烯烴，可以轉化為具有特殊性能的氟化表面活性劑，也可以氧化為特殊用途的全氟羧酸。作為副產品出現的全氟烷烴，可以用做高質量的絕緣材料、溶劑和潤滑劑，滿足某種特殊需求。輻射誘發(fā)塑料降解：可通過所使用的劑量、劑量率和溫度來控制輻射誘發(fā)過程。高分子固體廢物廢塑料聚四氟乙烯（PTFE）日本曾用γ射線輻照與加熱法聯(lián)合110廢橡膠

輻射技術可用于橡膠的硫化和廢舊橡膠的脫硫化——成熟技術高分子固體廢物輻射回收橡膠原理輻射處理主要是利用橡膠對電子束和γ射線獨有的敏感性，使廢舊橡膠發(fā)生化學鏈解聚，從而獲得有價值的加工特性和改進它們的耐用性。在輻照劑量達到70kGy時可以明顯增強原始橡膠樹脂和回收橡膠混合物的可塑性質，而對“拉長”等其他物理性質影響不大。大多數橡膠彈性體在射線作用下發(fā)生交聯(lián)反應，只有極少數含4價碳原子基團的膠種