第七章核技術在環(huán)境領域中的應用

第七章核技術在環(huán)境領域中的應用2023/2/41核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用主要內(nèi)容第一節(jié)輻射技術在環(huán)境中的應用第二節(jié)核分析技術在環(huán)境領域中的應用第三節(jié)環(huán)境科學中核技術的應用前景2023/2/42核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用軍事科學研究考古工業(yè)農(nóng)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2023/2/43核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用核技術在環(huán)境科學及環(huán)境保護領域中的應用：引言輻射技術核分析技術環(huán)境廢物處理：處理廢氣、廢水、固體廢物，如利用電子束去除SO2/NOx等環(huán)境樣品分析探測：具有眾多常規(guī)非核技術無可替代的特點，例如高靈敏度、準確度和精密度、高分辨率（包括空間分辨率和能量分辨率）、非破壞性、多元素測定能力等2023/2/44核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用第一節(jié)輻射技術在環(huán)境中的應用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(zhì)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絕大多數(shù)電離輻射是由核反應堆、加速器以及放射性同位素源產(chǎn)生的。2023/2/45核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用一、廢氣處理主要大氣污染物：SOx與NOx煙氣脫硫脫硝技術主要有：固相吸附與再生技術、濕法同時脫硫脫硝技術、吸收劑噴射法等，絕大多數(shù)遇到成本過高或裝置復雜的困難，例如以石灰噴霧法脫硫，用酸、堿吸收或催化還原法脫硝等。電子束照射法(EBA)脫硫脫硝波蘭用俄羅斯生產(chǎn)的加速器凈化劣質(zhì)煤燃燒產(chǎn)生大量SO2與NOx。日本利用俄羅斯生產(chǎn)的加速器凈化燒垃圾時所產(chǎn)生的煙霧。例如2023/2/46核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用脫硫脫硝工業(yè)化試驗裝置工藝流程簡圖實驗裝置組成：煙氣參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、加速器輻照處理系統(tǒng)、氨投加裝置、副產(chǎn)物收集裝置、監(jiān)測控制系統(tǒng)。2023/2/47核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用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(chǎn)生廢水廢渣；無需催化劑。反應生成的副產(chǎn)品可用作化肥。EBA能有效凈化其它工業(yè)廢氣，如：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。（1）自由基生成（2）SO2及NOx的氧化（3）硫銨和硝銨的生成EBA的反應機理：EBA的優(yōu)點：EBA的缺點：2023/2/48核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用二、廢水處理水污染是當今全世界非常關注的一個嚴重問題。人類生產(chǎn)活動的逐漸多樣化，使廢水中的污染物質(zhì)組分越加復雜，僅使用活化污泥等傳統(tǒng)的處理水方法已不可能徹底解決所有的廢水凈化，因此需要更有效的廢水處理技術。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80年代，在全世界范圍內(nèi)有許多有關水和廢水輻射處理的基礎研究和工業(yè)實踐。2023/2/49核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用研究和應用現(xiàn)狀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。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(chǎn)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(zhì)，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。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(jīng)進行過電子束輻照處理難降解有機廢水的研究。2023/2/410核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用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2023/2/411核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用輻照去除有機污染物農(nóng)藥：利用γ射線對PCBs（多氯聯(lián)苯）和DDT（雙對氯苯基三氯乙烷）等物質(zhì)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（氣相色譜)分析表明，降解產(chǎn)物為低分子量的含氯物質(zhì)。表面活性物質(zhì)：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(zhì)，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(zhì)素、硝基苯胺、增塑劑、亞硝胺類、氯酚類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(chǎn)額，抑制還原性物質(zhì)的產(chǎn)生。2023/2/412核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用輻照殺菌細菌是由有機復合物構成的，輻照可以有效地使細菌失去活性。輻照劑量、輻照區(qū)域內(nèi)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(zhì)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?shù)念A處理，有利于達到微生物最大的致死效應。滅菌原理滅菌效果影響因素2023/2/413核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用飲用水的消毒傳統(tǒng)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(chǎn)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(chǎn)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。2023/2/414核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用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?qū)σ后w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。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(chǎn)生的水合電子和氫原子作用下，可被還原為低價或單質(zhì)金屬，并從溶液中沉淀出來。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(xiàn)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)。2023/2/415核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用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(chǎn)額，提高·H和eaq-的產(chǎn)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2023/2/416核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用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2023/2/417核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用輻射-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(zhì)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2023/2/418核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用活性炭——吸附有機污染物質(zhì)——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(xiàn)循環(huán)利用?；钚蕴课健椛涮幚?023/2/419核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用在某些情況下，輻照后可以選用適當?shù)男跄齽┨幚?，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。輻射——絮凝沉淀處理2023/2/420核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用編號輻射——絮凝法生化處理法1能同時對污水和污泥進行消毒不能解決污水和污泥的消毒問題2無需增加殺菌、脫色、除臭、懸浮物去除等設備需要增加殺菌、脫色、除臭、懸浮物去除等設備3脫色效果好，出水無色透明脫色效果一般，出水色度在15度以下4出水懸浮物濃度較低出水懸浮物濃度較高5臭強度可達到一級，除臭效果明顯臭強度在二級以上6不產(chǎn)生大量的污泥產(chǎn)生大量的污泥7處理效果不受環(huán)境因素的影響處理效果受環(huán)境因素的影響8有機物去除率低有機物去除率高9占地面積小占地面積大10處理后的污水和污泥對環(huán)境不產(chǎn)生二次污染問題處理后的污水和污泥可能對環(huán)境產(chǎn)生二次污染問題11基建費用高基建費用低輻射——絮凝法與生化處理城市污水的優(yōu)缺點對照2023/2/421核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用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(chǎn)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(chǎn)生·OH自由基外，還產(chǎn)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2023/2/422核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用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(xiàn)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(chǎn)物的產(chǎn)額，繼而使反應朝著所需的方向進行。2023/2/423核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用三、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2023/2/424核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用廢塑料聚四氟乙烯（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(jīng)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(chǎn)生大量有毒的氟化物。2023/2/425核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用廢塑料日本曾用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(chǎn)品的質(zhì)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，現(xiàn)在也成為工業(yè)界的一個熱點。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。2023/2/426核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用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(zhì)，而對“拉長”等其他物理性質(zhì)影響不大。大多數(shù)橡膠彈性體在射線作用下發(fā)生交聯(lián)反應，只有極少數(shù)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(xiàn)降解反應。2023/2/427核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用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(chǎn)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(diào)節(jié)輻射劑量就可以方便地產(chǎn)生不同相對分子質(zhì)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(jīng)達到了每年2000t的水平。商業(yè)產(chǎn)品中的橡膠樹脂25%是基于被回收利用的橡膠?；厥盏南鹉z還可以用在屋頂和船只的防水材料中。2023/2/428核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用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(wǎng)絡結構分解，從而改變了橡膠力學的性質(zhì)。破碎的纖維分離之后，原料便可與其它組分混合用于生產(chǎn)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(shù)膠種的再生。2023/2/429核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用纖維素農(nóng)林業(yè)垃圾木材和農(nóng)產(chǎn)品秸桿的主要成分日本用輻照法處理木屑、廢紙、稻草等，通過糖化與發(fā)酵而得到酒精；美國對這類纖維素加酸后輻照處理，得到的葡萄糖回收率高達56%。美、俄等國研究用輻射技術處理棉纖維素制備火藥粘結劑——硝化纖維素(NC)，得到了很大的成果。中國（上海大學的周瑞敏教授等）在粘膠纖維的磺化過程中用輻射技術處理纖維素漿粕，減少了CS2的用量。2023/2/430核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用硝化纖維的制備傳統(tǒng)的硝化過程：纖維素與硝硫混酸的硝化及NC的安定處理。

缺點：1.硝化過程中生成了硫酸酯而使得安定處理時間很長；2.廢酸處理過程復雜。3.天然棉纖維素的分子量很高,制備出的NC粘度高,不能滿足各種用途的需要。新生產(chǎn)工藝過程（前蘇聯(lián)研制）：(1)用高能電子輻射預處理精制棉纖維素;(2)用高活性的混合硝化劑(HNO3-N2O4-N2O5)進行硝化;(3)NC的安定處理。

優(yōu)點：1.硝化中不用硫酸,有利于提高NC的安定性,可大大縮短安定處理時間；2.廢酸處理簡化并減少了污染;3.輻射后棉纖維素分子量降低,有利于控制粘度,可滿足制造各種品號NC對粘度的要求;4.產(chǎn)物的分子量分布均一;5.生產(chǎn)率提高,并且提高了NC質(zhì)量。2023/2/431核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用醫(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。傳統(tǒng)處理方式：加熱(100℃以上至少30min)或焚化(產(chǎn)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)2023/2/432核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用污泥環(huán)境狀況：每人每年大約產(chǎn)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(chǎn)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等。2023/2/433核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用輻射處理污泥污泥輻照的優(yōu)點：國際上普遍認為很有前途的污泥處理方法。能殺死污泥中的病菌和病毒，消毒效果比熱處理可靠；不破壞污泥中的有機氮化物，不會減少了污泥的肥力和產(chǎn)生難聞的臭味；處理溫度較低(25～30℃)，減少對工廠設備的腐蝕；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(zhì)轉(zhuǎn)化為容易降解的化合物；輻照后的污泥具有良好的脫水性能，可省去化學絮凝劑和一些相應的設備。2023/2/434核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用世界第一個污泥輻照廠——格梭布爾拉治處理廠，1973年建在德國慕尼黑東10km處，60Co源，1983年補充安裝137Cs輻射源。美國、印度、日本、澳大利亞、桑迪亞等國也建立了污泥輻照裝置。輻射處理污泥2023/2/435核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用利用輻射技術治理“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！2023/2/436核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用第二節(jié)核分析技術在環(huán)境中的應用核分析技術的原理：被測定的材料或樣品自身衰變或在電離輻射的作用下產(chǎn)生輻射特征，測量其輻射特征確定核素種類，經(jīng)過計數(shù)效率刻度可進一步確定樣品中核素的活度、含量等信息。廣泛應用于：大氣污染物監(jiān)測水體和各類環(huán)境樣品的分析有害元素及物質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)中的影響和遷移規(guī)律研究等2023/2/437核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用環(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：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)。2023/2/438核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用環(huán)境研究中應用的核技術方法加速器質(zhì)譜技術（Acceleratormassspectrometry，AMS）：是一種超高靈敏度現(xiàn)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(nèi)氡氣的監(jiān)測等方面有重要作用。2023/2/439核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用核分析技術在輻射環(huán)境監(jiān)測領域的應用環(huán)境輻射水平監(jiān)測：包括大氣中的放射性氣溶膠，地面γ輻射劑量水平、水中、土壤和建筑材料的放射性活度和室內(nèi)外氡濃度等的監(jiān)測。核設施的監(jiān)測：核設施煙囪放射性流出物監(jiān)測；核設施周圍輻射環(huán)境水平監(jiān)測。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。從而快速進行環(huán)境污染水平調(diào)查和環(huán)境影響評價。2023/2/440核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用測能量測強度衰變一、中子活化分析在環(huán)境中的應用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)輻射放射性核素緩發(fā)輻射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15.03h2023/2/441核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用2.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，具有極高靈敏度。占全部NAA95%以上。基于加速器產(chǎn)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2023/2/442核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用（一）在大氣環(huán)境地球化學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(原子發(fā)射光譜)、AAS(原子吸收光譜)、XRF、ICP-AES(等離子體光譜儀)、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(jīng)高溫灼燒過的碳質(zhì)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。2023/2/443核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用氣溶膠特征研究方法1.布點：布點數(shù)目、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(shù)據(jù)處理2023/2/444核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用標準、規(guī)范名稱標準號環(huán)境空氣中氡的標準測量方法GB/T14582-93氡及其子體測量規(guī)范EJ/T605-91環(huán)境地表γ輻射劑量率測定規(guī)范GB/T14583-93工作場所空氣中有害物質(zhì)監(jiān)測的采樣規(guī)范GBZ159－2004室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測技術規(guī)范HJ/T167—2004輻射環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范HJ/T61-2001空氣中放射性核素的γ能譜分析方法WS/T184-19992023/2/445核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用（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。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%。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。濾膜的選擇（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(nèi)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(chǎn)新華濾紙。2023/2/446核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用3.樣品與標準的制備（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(zhì)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(shù)據(jù)處理2023/2/447核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用

中子輻照試樣所產(chǎn)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(chǎn)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(shù)據(jù)處理4.樣品輻照2023/2/448核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用在微型反應堆上進行的，樣品裝在聚乙烯照射筒內(nèi)，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(nèi)，然后將“跑兔”及照射筒除去，樣品轉(zhuǎn)入測量小盒內(nèi)，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(jīng)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(zhì)量監(jiān)控的標準參考物一起裝入照射的鋁筒內(nèi)，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(zhuǎn)移至塑料測量盒內(nèi)，冷卻5d～6d后，先測量一次，計數(shù)時間為2000s，冷卻15d～16d，再進行第二次測量，計數(shù)時間為4000s。2023/2/449核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用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(nèi)照1×1012n/cm2.sec,外照5×1011n/cm2.sec2023/2/450核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用5.放射性測量及數(shù)據(jù)處理根據(jù)各放射性核素的性質(zhì)，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(shù)據(jù)處理，程序經(jīng)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(jīng)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。布點——采樣——制樣——輻照——測量及數(shù)據(jù)處理60Co的γ能譜2023/2/451核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用照射和技術程序圖解2023/2/452核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用（二）在水環(huán)境地球化學中的應用中子活化分析具有靈敏度高和可以同時測定多種元素的特點，在各種淡水、海水和地下水分析中都得到了廣泛的應用。對于含量極低（0.001μg?L-1～0.1μg?L-1）的元素，分析前要進行預濃集，將經(jīng)過預濃集的水樣和標準封裝在一起，進行中子照射，經(jīng)過適當?shù)恼丈鋾r間和衰變時間以后，將樣品轉(zhuǎn)移出來置于探測器上測量放射性活度，依此計算出元素的含量。為了判斷天然水域的污染狀況，首先必須對水中的有害元素As、Hg、Cd、Pd等進行分析。并將結果與未受污染情況下元素的自然背景值進行比較，從而為污染的預防和治理提供科學依據(jù)。由于水體中污染元素含量極微，而且種類很多，因此需要采用先進的分析方法。2023/2/453核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用標準、規(guī)范名稱標準號水質(zhì)采樣方案設計技術規(guī)定GB12997-91水質(zhì)采樣技術指導GB12998-91水質(zhì)采樣樣品的保存和管理技術規(guī)定GB12999-91環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測質(zhì)量保證手冊水質(zhì)監(jiān)測采樣質(zhì)量保證與質(zhì)量控制監(jiān)測點位設計、監(jiān)測項目和頻次、采樣方法、采樣設備、采樣的保存和運輸機質(zhì)量控制水質(zhì)監(jiān)測實驗室基礎分析儀器、玻璃儀器、化學試劑和試液、實驗室安全中國環(huán)境監(jiān)測總站編布點—采樣—制樣（低含量需預濃集）—輻照—測量及數(shù)據(jù)處理分析方法的探測極限取決于樣品基體組分和測量條件2023/2/454核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用（三）在土壤環(huán)境地球化學中的應用分析流程與氣、水樣品相同，采樣和制樣不同。土壤樣品的基體成分極其復雜，樣本量大，待測元素多，而且元素含量的變化范圍很大，采用中子活化分析研究土壤中微量元素是一種十分理想的方法。中子注量率照射時間冷卻時間測定的元素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工作所用的照射時間、冷卻時間及測定的元素。2023/2/455核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用二、同位素示蹤技術在環(huán)境中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。將標記化合物或示蹤劑加入所研究的體系中，借助同位素的測定技術，即可獲得物質(zhì)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)點放射性同位素具有三個特征能放出各種不同的射線；放出的射線由不同原子核本身決定；具有一定的壽命。2023/2/456核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用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。兩種示蹤技術比較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，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(shù)、對細胞膜的滲透及細胞質(zhì)粘性等都會發(fā)生改變。生物體內(nèi)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2023/2/457核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用污染元素常用示蹤核素半衰期β粒子能量，MeVγ射線能量,MeV鈹7Be53dK0.48氟18F112m0.64β+磷32P14.2d1.71硫35S87.2d0.167氯36Cl3.03105a0.714鉻51Cr27.8dK0.323錳52Mn54Mn5.7d291d58β+,KK73,0.94,1.454.7鐵55Fe59Fe2.7a45dK0.27,0.461.10,1.29鈷56Co60Co77d5.27a1.50β+0.311.17,1.33鎳63Ni125a0.067銅64Cu12.8h0.57β_,0.68β+,K1.35鋅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鍶89Sr90Sr51d28a1.460.54鎘115Cd43d0.68,1.610.49,0.94銫134Cs137Cs2.19a30a0.65,0.09,0.28,0.890.57,0.605,0.80鋇131Ba140Ba11.5d12.8dK0.48,1.020.4940.16,0.30,0.54汞65Hg65hK0.077鉛210Pb19.4a0.017,0.0630.047常見金屬類污染元素與可以用于示蹤的核素2023/2/458核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用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。污染物在生物鏈中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化規(guī)律研究。應用示例2023/2/459核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用土壤侵蝕是地表物質(zhì)遷移的重要形式，有關土壤侵蝕的測定方法可以分為三類：

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(shù)據(jù)。

普查法：采用某地區(qū)或流域的航片調(diào)查，對于小河和溪谷進行現(xiàn)場調(diào)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(shù)據(jù)。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(nèi)發(fā)生的侵蝕作用。近代土壤侵蝕的示蹤研究應用示例2023/2/460核技術應用概論——核技術在環(huán)境領域中的應用7Be：7Be是宇宙線轟擊大氣中N、O靶核而產(chǎn)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(nèi)便可轉(zhuǎn)移到沉積物中，平均寄宿時間為77d。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。示蹤法可對土壤侵蝕的