013第七章核技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、第七章 核技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用核技術(shù)不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等方面應(yīng)用廣泛，在環(huán)境科學(xué)及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中也得到 了較快的發(fā)展。國內(nèi)已開展了利用核技術(shù)對廢氣、廢水、固體廢物處理等實(shí)驗(yàn)或中試研究， 如利用電子束去除so2/hO等。另外，利用核技術(shù)進(jìn)行環(huán)境樣品元素的定性定量分析，具有 2x眾多常規(guī)非核技術(shù)無可替代的特點(diǎn)，例如高靈敏度、準(zhǔn)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，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域。采用的核 分析技術(shù)主要有核素示蹤技術(shù)、核素活化分析、輻照分解技術(shù)與同位素測量技術(shù)等。例如， 放射性示蹤方法廣泛地應(yīng)用于環(huán)境條件的研究，如環(huán)境中大氣擴(kuò)散行為的研究、3

2、H在地層結(jié) 構(gòu)分析中的應(yīng)用、地下水動力學(xué)研究和地面水位變化分析等。核技術(shù)在環(huán)境中的應(yīng)用歸納起來大致可以分為三大類：放射源輻照在環(huán)境中的應(yīng)用、加 速器在環(huán)境中的應(yīng)用、核分析技術(shù)在環(huán)境中的應(yīng)用，本章重點(diǎn)從這幾方面展開論述。第一節(jié) 放射源輻照在環(huán)境中的應(yīng)用反應(yīng)堆產(chǎn)生的放射性核素可以用于環(huán)境廢物的輻照處理。一、廢水處理反應(yīng)堆產(chǎn)生的放射性核素可以用于生活污水和工業(yè)廢水的處理，通常以放射源的形式， 如 60Co 源、 137Cs 源。其基本原理是水分子在輻射作用下會生成一系列具有很強(qiáng)活性的輻解 產(chǎn)物，如 OH、 H、 H2O2 等自由基。這些產(chǎn)物與廢（污）水中的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)可以使它們 分解或改性。采用放

3、射源輻射處理法可以明顯消除城市污水中的TOC （總需氧量）、BOD （生物需氧 量）、COD （化學(xué)需氧量），并滅活污水中的病原體。對于含有偶氮染料和蔥醌染料的廢水， 通過輻照可以使之完全脫色，TOC去除率可達(dá)到80%90%。COD去除率達(dá)到65%80%。 含有木質(zhì)素的廢水在充氧條件下用Y射線輻照，很容易被降解。據(jù)研究報(bào)道，采用放射源也 可以有效地處理洗滌劑、有機(jī)汞農(nóng)藥、增塑劑、亞硝胺類、氯酚類等有害有機(jī)物質(zhì)。將放射 源輻照技術(shù)與普通廢水處理技術(shù)（如凝聚法、活性炭吸附法、臭氧活性污泥法等）聯(lián)用，具 有協(xié)同效應(yīng)，可提高處理效果。在與活性炭法聯(lián)用時，在炭吸附了有機(jī)物后，借助Y射線輻 照，可使活性炭

4、再生，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。前蘇聯(lián)曾建成一座放射源輻照處理試驗(yàn)廠，用于抗菌素工廠的廢水處理，其廢水日處理 量達(dá)到15000m3,經(jīng)處理的廢水各項(xiàng)指標(biāo)皆優(yōu)于常規(guī)處理法。匈牙利、加拿大、日本等國都 建有類似的試驗(yàn)工廠。世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家在開發(fā)污泥輻射處理技術(shù)方面，也取得了積極的進(jìn) 展。其中以德國慕尼黑的試驗(yàn)工廠建立最早，至今已成功運(yùn)行了十幾年，據(jù)報(bào)道廢水日處理 能力為150m3,處理費(fèi)約4.4馬克每立方米，經(jīng)輻射處理的污泥可作為肥料。二、固體廢棄物處理俄羅斯物理動力研究所精心設(shè)計(jì)出一種利用快中子反應(yīng)堆處理生活和工業(yè)垃圾的新技 術(shù)。該技術(shù)是通過在核反應(yīng)堆中加砌一個燒垃圾的爐子來實(shí)現(xiàn)。在這一反應(yīng)堆大樓里，定期

5、裝入生活和工業(yè)垃圾，它不斷地掉入吹氧的渣缸中，為了保持爐內(nèi)高溫，在爐中不斷加入少 量的動力煤。當(dāng)爐溫達(dá)到1500C左右時，所有的垃圾都會被汽化，其中含有礦物質(zhì)的部分在 渣中熔化，而金屬物在熔化后便沉入底部。然后，將沉入底部的金屬，定期鑄成鑄件并運(yùn)出 去加工；從爐里清出來的爐渣，則用于加工建筑材料；爐中高達(dá)1750C的氣體，經(jīng)用抽氣機(jī) 加以冷卻，再用于化工生產(chǎn)。而爐子及爐內(nèi)氣體，采用液體鈉來冷卻。這種液體鈉，在垃圾 反應(yīng)堆外殼的雙層墻壁之間進(jìn)行循環(huán)。同時，達(dá)500C高溫的液體鈉，還可為蒸汽發(fā)生器供 熱，所形成的蒸汽用以轉(zhuǎn)動汽輪發(fā)電機(jī)，冷凝后的熱水又流入鍋爐房。這樣，就可以從垃圾 處理中得到金屬、

6、建筑材料、化工產(chǎn)品、電力和熱力。根據(jù)試驗(yàn)，一套這種快中子反應(yīng)堆裝 置，一年可處理生活和工業(yè)垃圾2.0 x104t，發(fā)電功率為5.0kW，自給有余。在固體廢物的處理處置中，廢塑料由于其難降解始終是一個棘手的問題。例如聚四氟乙 烯，由于用生化法無法分解，機(jī)械破碎困難，兼之在高溫處理時產(chǎn)生大量有毒的氟化物，造 成難于處置的局面。日本曾利用Y射線輻照與加熱聯(lián)用方法，再以機(jī)械破碎后，得到分子量 不同的聚四氟乙烯蠟狀粉末，可作為優(yōu)良的潤滑劑和添加劑。氯化聚乙烯在使用時會放出百 倍的氯乙烯，因而被某些國家禁止使用。但經(jīng)一定劑量y射線照射后，不產(chǎn)生氯乙烯，從而 擴(kuò)大了使用面。y 放射源輻照可用于污泥處理。污泥

7、中含有大量的能量與生物價值，是優(yōu)良的農(nóng)田肥料 和土壤改良劑。但由于含有大量病原體而不能直接利用。堆肥化、熱消毒或化學(xué)處理等方法 的處理效果均不十分理想。用Y射線輻照，可以克服常用處理方法的缺點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，最早建 立的德國慕尼黑試驗(yàn)工廠，經(jīng)輻射處理的污泥仍有原來的養(yǎng)分，據(jù)稱可作為肥料，施于作物 有增產(chǎn)效果?，F(xiàn)在德國、美國都已建造了每天處理量達(dá)1.5x103t污泥的輻照處理設(shè)備。我國 曾對醫(yī)院廢物的輻射消毒進(jìn)行較深入的研究。纖維素是城市廢物與農(nóng)業(yè)廢物的主要成分，日本曾用輻照法處理木屑、廢紙、稻草等， 通過糖化與發(fā)酵而得到酒精；美國則采用對這類纖維素用加酸后輻照處理的方法得到葡萄糖， 其回收率高達(dá)56

8、%。腐敗的食物在經(jīng)輻照處理后可作為動物的飼料。第二節(jié) 加速器在環(huán)境中的應(yīng)用各種低能加速器在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在工業(yè)上用于活化分析、大型加速器 的離子注入機(jī)、輻照改性和無損檢驗(yàn)等；在農(nóng)業(yè)上用于品種改良、消滅病害和食品保鮮等； 在醫(yī)療上用于治療癌癥、輻照消毒和生產(chǎn)短壽命同位素等。在國防上，高脈沖功率加速器可 用作X射線模擬源等。在環(huán)境保護(hù)方面，用加速器產(chǎn)生的強(qiáng)束流對燃煤煙氣進(jìn)行脫硫、脫氮 處理。高能電子加速器可產(chǎn)生IMeVlOMeV能量的高能電子，高能電子有一定地穿透力。電 子加速器的輻照功率（kW）為電子束電流（mA）與加速電壓（V）的乘積。電子束通過稀 薄分散流體時，多次部分反射回流

9、體中進(jìn)行照射，增加被照體的劑量水平。而且當(dāng)不使用加 速器可立即關(guān)閉。利用加速器產(chǎn)生的電子束進(jìn)行輻照處理正在成為環(huán)境保護(hù)的重要手段之一， 電子束的工藝技術(shù)廣泛適用于廢氣、廢水和固體廢棄物的輻照處理。電子加速器產(chǎn)生的高能電子束照射可使一些物質(zhì)產(chǎn)生物理、化學(xué)和生物學(xué)效應(yīng)，并能有 效地殺滅病菌、病毒和害蟲。這一技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的材料改性、新材料制作、 環(huán)境保護(hù)、加工生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生用品滅菌消毒和食品滅菌保鮮等。它同鈷源輻照一樣，具有 常溫、無損傷、無殘毒、環(huán)保、低能耗、運(yùn)行操作簡便、自動化程度高、適宜于大規(guī)模工業(yè) 化生產(chǎn)等特點(diǎn)。與鈷源（輻射效率大約 20%）相比，其最大優(yōu)點(diǎn)是輻照束流集中定向

10、，能源 利用充分，輻照效率高達(dá) 80%以上，不產(chǎn)生放射性廢物。隨著鈷源售價的飛漲、廢源處理費(fèi) 用的上升，電子加速器輻照裝置具有明顯的價格和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。用能量為lOMeV的高功率電子 加速器建設(shè)高能電子輻照中心，在發(fā)展輻照加工產(chǎn)業(yè)的同時，開展輻照工藝和輻照新領(lǐng)域的 研究，在國內(nèi)外都是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)和開拓性的工作，具有明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益和不可估量的 潛在價值，是目前國際上倍受關(guān)注的高科技領(lǐng)域之一。射線與物質(zhì)間的作用，電離和激發(fā)產(chǎn)生的活化原子與活化分子，使之與物質(zhì)發(fā)生一系列 物理、化學(xué)與生物化學(xué)變化，導(dǎo)致物質(zhì)的降解、聚合、交聯(lián)，并發(fā)生改性。這樣一來，就為 采用常規(guī)處理方法難以去除的某些污染物提供了新的凈

11、化途徑輻射降解。一、廢氣處理加速器在廢氣處理方面的應(yīng)用主要是用于有害煙氣的處理。大氣中的SO2與NO是主要 2x 的污染物，這些污染物主要來自于煙囪排放煙氣。通常的煙氣脫硫脫硝技術(shù)主要有固相吸附 與再生技術(shù)、濕法同時脫硫脫硝技術(shù)、吸收劑噴射法等，絕大多數(shù)遇到成本過高或裝置復(fù)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去除NOx等。高能輻射化學(xué)法 是一類新型煙氣脫硫脫硝技術(shù)，主要分為電子束照射法（EBA）和脈沖電暈法（PPCP）兩種， 其中電子束照射法是目前發(fā)展較好的一種方法。應(yīng)用電子束照射的方法，既可除去煙氣中的 SO2和NO,有助于凈化大氣，防止酸雨的形成，又可得到硝胺和硫胺等

12、副產(chǎn)品，用作肥料。2x 還能降低運(yùn)行難度和費(fèi)用，而且由于在干燥條件下使用，幾乎不產(chǎn)生二次廢水。2O 世紀(jì) 9O 年代俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院的核物理研究所制造的加速器供應(yīng)波蘭和日 本，用以凈化煙霧。波蘭的劣質(zhì)煤在燃燒時產(chǎn)生大量有毒的硫和氮的氧化物。在煙霧被輻射 時，所有氧化物都變成固休沉淀物，可用作肥料。在日本，也已利用俄羅斯生產(chǎn)的加速器，來凈化燒垃圾時所產(chǎn)生的煙霧，避免了煙霧對環(huán)境的污染。（一）電子束輻照法脫硫脫硝電子束輻照法的優(yōu)點(diǎn)從1972年以來，日本開始廣泛地進(jìn)行電子束輻照去除煙道氣中的S02和NO的基礎(chǔ)研 2x 究和半工業(yè)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過三十多年的研究開發(fā)，已從小試、中試和工業(yè)示范逐步走向工

13、業(yè)化。 日本、德國、意大利、波蘭、美國等國已經(jīng)開始的基礎(chǔ)研究和半工業(yè)、工業(yè)實(shí)驗(yàn)表明，電子 束輻照技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：能同時脫硫脫硝，并可達(dá)到90%以上的脫硫率和 80%以上的脫硝 率；由于電子束法脫硫脫硝是一種干法處理技術(shù)，不產(chǎn)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；對于不同含硫量的煙氣和煙氣量的變化有較好的適應(yīng)性和負(fù)荷跟 蹤性；反應(yīng)生成可利用的副產(chǎn)品，副產(chǎn)品為硫銨和硝銨混合物，可用作化肥；脫硫脫硝成本 比傳統(tǒng)方法更經(jīng)濟(jì)?？赡苡械娜秉c(diǎn)包括：電子束劑量需求高，電能需求大，運(yùn)行費(fèi)用高，輻 照后氣溶膠的過濾等。另外，電子束輻照方法能有效凈化其它工業(yè)廢氣，如：易揮發(fā)的有機(jī)物（VOCs

14、）,汽車 尾氣，有氣味、有毒的氣體及焚燒爐的廢氣等。當(dāng)然，電子束處理污染廢氣的技術(shù)涉及到許 多不同的物理化學(xué)機(jī)制，如：能量吸收，氣相反應(yīng)，顆粒形成，氣固相的相互影響等。電子束輻照法的反應(yīng)機(jī)理利用陰極發(fā)射并經(jīng)電場加速形成 500keV800keV 的高能電子束，這些電子束輻照煙氣時 產(chǎn)生輻射化學(xué)反應(yīng)，生成OH、O和HO2等自由基，這些自由基可以和SO2、NOx發(fā)生氧化 反應(yīng)并生成h2so4和hno3,輻照前在煙道氣中預(yù)先加入化學(xué)計(jì)量的氨，所生成的霧狀h2so4 和hno3與通入反應(yīng)器中的nh3相互作用，生成（nh4）2so4和nh4no3銨鹽等副產(chǎn)品，這些 副產(chǎn)物可以通過靜電沉降等方法收集起來，

15、直接用做化肥。煙氣經(jīng)電子束照射后，主要反應(yīng) 過程如下：（1）自由基生成燃煤煙氣一般由N2, 02，水蒸氣、C02等主要成分及S02和NOx等微量成分組成。當(dāng) 用電子束照射時，電子束能量大部分被氮、氧、水蒸氣吸收，生成大量的反應(yīng)活性極強(qiáng)的各 種自由基。（2）SO,及NO的氧化2xS02及NOx被自由基等活性物種氧化，生成硫酸和硝酸。（3）硫銨和硝銨的生成 硫酸和硝酸與事先注入的氨進(jìn)行中和反應(yīng)，生成硫酸銨和硝酸銨氣溶膠粉體微粒。若尚有未反應(yīng)的SO2及NH3則在微粒表面繼續(xù)進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)生成硫銨。H SO + 2 NH （NH ） SO TOC o 1-5 h z 2434 24HNO + NH N

16、H NO3343SO + 2 NH + H O + 1O （NH ） SO232224 24圖 7-1 為煙氣經(jīng)電子束照射后，各組分濃度隨時間的變化及生成硫酸銨和硝酸銨的歷程。 由圖可見，整個反應(yīng)完成所需時間僅為Is左右。圖 7-1 電子束反應(yīng)過程電子束輻照法的處理流程圖 7-2 為電子束煙氣處理流程圖。流程由煙氣冷卻、加氨、電子束照射和副產(chǎn)品收集等 環(huán)節(jié)構(gòu)成。鍋爐排出的約130C的煙氣，經(jīng)靜電除塵后，一部分直接進(jìn)入煙囪排放，待處理 的部分煙氣進(jìn)入冷卻塔。在冷卻塔中，通過噴射冷卻水，使煙氣降到適于脫硫脫硝的溫度（65C）。煙氣露點(diǎn)通常為50C，所以冷卻水在塔內(nèi)完全被氣化，一般不會產(chǎn)生需進(jìn)一步處

17、 理的廢水。然后根據(jù)SO2和NOx濃度及所設(shè)定的脫除率，向反應(yīng)器中注入化學(xué)計(jì)量的氨。煙 氣在反應(yīng)器中被電子束照射，使SO2和NOx氧化，生成硫酸和硝酸，并與注入的氨中和，生 成硫銨和硝銨。接著用干式靜電除塵器捕集這些副產(chǎn)品微粒，凈化后的煙氣由引風(fēng)機(jī)升壓并 與未處理的煙氣混合升溫后排入煙囪。圖 7-2 電子束煙氣脫硫工藝流程圖電子束輻照法的主要設(shè)備電子束輻照法的主要設(shè)備有：1. 冷卻塔，2. 反應(yīng)設(shè)備，3. 電子束發(fā)生裝置，4. 副產(chǎn)品 收集設(shè)備，5. 供氨設(shè)備，6. 副產(chǎn)品造粒設(shè)備，7. 升壓風(fēng)機(jī)。電子束發(fā)生裝置由發(fā)生電子束的直流高壓電源、電子加速器及窗箔冷卻裝置組成。電子 在高真空的加速管里

18、通過高電壓加速。加速后的電子通過保持高真空的掃描管透射過一次窗 箔及二次窗箔（均為30ym50ym的金屬箔）照射煙氣。窗箔冷卻裝置是向窗箔間噴射空氣進(jìn)行 冷卻，控制因電子束透過的能量損失引起的窗箔溫度的上升。圖 7-3 為電子加速器結(jié)構(gòu)示意 圖。直流高壓電源：一臺，800kVx800mA，絕緣芯變壓器型電子加速器：二臺，800kVx400mA，掃描型，掃描幅2.4x103mm。圖 7-3 電子束發(fā)生原理及脫硫脫硝反應(yīng)示意圖（二）脈沖電暈法等離子體法脈沖電暈法等離子體法（PPCP）的基本原理與EBA相似，都是利用高能電子使煙氣中 的H2O、O2等氣體分子被激活、電離或裂解而產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的自由基，

19、對SO2和NOx進(jìn)行 等離子體催化氧化，分別生成SO3和NOx或相應(yīng)的酸，在有添加劑的情況下，生成相應(yīng)的鹽 而沉降下來。二者的差異在于高能電子的來源不同，EPA法是通過陰極電子發(fā)射和外電場加 速而獲得；而 PPCP 法則是電暈放電自身產(chǎn)生的，它利用上升前沿陡、窄脈沖的高壓電源（上 升時間10ns100ns，拖尾時間100ns500ns，峰值電壓100kV200kV，頻率20Hz200Hz）與 電源負(fù)載-電暈電極系統(tǒng)（電暈反應(yīng)器）組合，在電暈與電暈反應(yīng)器電極的氣隙間產(chǎn)生流光電 暈等離子體，從而對SO2和NOx進(jìn)行氧化去除。PPCP 法的優(yōu)勢在于可同時除塵。研究表明，煙氣中的粉塵有利于 PPCP

20、法脫硫脫氮效率 的提高。因此，PPCP法集三種污染物脫除于一體，且能耗和成本比EPA法低，從而成為最 具吸引力的煙氣治理方法。二、廢水處理水污染是當(dāng)今全世界非常關(guān)注的一個嚴(yán)重問題，而使用活化污泥的傳統(tǒng)的水處理方法、 不可能徹底解決。因此，需要有一項(xiàng)處理污水更有效的技術(shù)。電子束輻照技術(shù)工藝恰好能滿 足這個需求，是一項(xiàng)處理污水更有效的技術(shù)。輻射能處理水與廢水，輻照作用使水中產(chǎn)生活 性物質(zhì)，如 OH 基可氣化和分解水中任何有機(jī)污染物。在有一定的經(jīng)濟(jì)效益條件下，決定廢 水處理規(guī)模。選擇合適的電子束輻照裝置，確保處理廢水的流速達(dá)到均勻接受足夠劑量?？?慮的因素包括輻射的能量分布、在水中的穿透能力、輻射與

21、水相互作用體積的幾何形狀，以 及通常說考慮輻射注量的“厚度”等。早在前蘇聯(lián)時期科學(xué)家就曾做過曾做過大規(guī)模試驗(yàn)，用加速器來改善生態(tài)環(huán)境。如在沃 羅涅日市凈化被橡膠制品生產(chǎn)廢料所污染的地下水，經(jīng)過10a的努力，方圓30km的地下水 終于得到凈化。此外，通過輻照還可以有效地殺死水中的微生物。氯滅菌處理二次污水的方法可以殺死 微生物，但是會產(chǎn)生有毒的含氯有機(jī)物，例如三氯代甲烷。電子束輻照也有效地使噬菌體失 去活性，用比較小的劑量（如0.25kGy1 kGy）進(jìn)行輻照，對普通細(xì)菌（如大腸桿菌、沙門 氏菌等）90%的劑量可將它們殺死，用 10Gy 劑量則所有的細(xì)菌都被消滅掉。用電子束輻照 代替氯滅菌處理二

22、次污水，既不會產(chǎn)生有毒的含氯有機(jī)物，又能進(jìn)行有效的滅菌。滅菌效果 取決于輻照區(qū)域內(nèi)水層的厚度、水的屬性以及不同類型的病菌對輻射的敏感度的影響。電子 束輻照的殺菌效率還依賴于電子在水中的穿透能力（見圖 7-4 和圖 7-5）。在流動系統(tǒng)中，由 于液體的強(qiáng)烈混合，受照細(xì)菌的存活曲線，比穩(wěn)定條件下的那些輻照更有效。與殺滅微生物 的同時，液體廢物所通常具有的棕褐色也消失了，水變得沒有臭味，而且COD也大大降低。圖7-4深度劑量D為水深的函數(shù)圖7-5不同能量束在水中的深度劑量D的分布A6（Co 的 瀾寸線，B2MeV 的電子束 A3MeV, B8MeV，C10MeV，D12MeV由于合成表面活性物質(zhì)的生

23、產(chǎn)及其在工業(yè)和生活中的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，使污水凈化問題日趨復(fù)雜，且相應(yīng)地加劇了水庫的污染。這些物質(zhì)主要是用來生產(chǎn)性能大大優(yōu)于含脂肥皂 的洗滌劑。在工業(yè)企業(yè)的排水溝中也還有一些可在工藝生產(chǎn)過程中使用的物質(zhì)。表面活性物 質(zhì)的特點(diǎn)是在與堿溶液和鹽溶液進(jìn)行化學(xué)作用時的高穩(wěn)定性。緩慢的生物化學(xué)氧化及高的發(fā) 泡性能。雖然用活性炭或離子交換樹脂對水作加工處理可以獲得要求的效果，但是在經(jīng)濟(jì)上 是不大合算的。輻射對表面活性物質(zhì)的作用可以使其發(fā)生斷裂-分解成較輕的、相對來說較易 排除的物質(zhì)。和生物凈化不同，輻射凈化是對所有化合物發(fā)生作用；在有氧存在時和它們發(fā) 生氧化作用。在射線和臭氧同時作用下凈化的效率明顯提高。

24、這可解釋為是ho2游離基轉(zhuǎn)化 成OH游離基的緣故，而后者對大多數(shù)有機(jī)化合物來說是強(qiáng)的氧化劑。污水、污泥含有可利用的有機(jī)物和無機(jī)物，可用作農(nóng)肥或作為營養(yǎng)物添加飼料里，除了 要輻照降解破壞污水中有毒的合成物外，還需要作特殊的處理，來殺死病變的微生物。一般 的消毒法是將污水在約70C下加熱幾十分鐘。與此同時也在研究用30kGy劑量輻射劑量處理 污水的效率。依殺菌效果上看，上述兩種方法都差不多。對輻射處理過的污水沉積物的研究 表明，這些沉積物實(shí)際上與以污水熱處理法得到的肥料十分相似。各種原始水樣在沉積時形 成的淤泥的體積比運(yùn)到消毒工廠的污水體積要小 1到2個數(shù)量級，因此需要非常低的輻射功 率。從應(yīng)用前

25、景看，污水的輻射消毒可能成為一種非常便宜的方法，因?yàn)檫@個方法還可以同 時清除聚合物雜質(zhì)。電子束輻照技術(shù)凈化污水的另一種途徑是利用電子束輻照技術(shù)再生用過的活性炭。由于 活性炭具有很強(qiáng)的吸附力，所以可利用它來消除廢水中的污染物質(zhì)。但是用當(dāng)前流行的方法 再生用過的活性炭費(fèi)用很高。由于用過的活性炭表面附著有機(jī)物，電子束輻照技術(shù)則可以有 效地再生活性炭。通過比較再生的活性炭和新的活性炭在NaLa的水溶液中的等溫吸附曲線， 分析碳的再生程度發(fā)現(xiàn)兩者的等溫吸附曲線幾乎是相同的。三、固體廢物的處理固體廢物可以分為兩大類：需要輻照消毒的廢物，如城市污水污泥、生物醫(yī)學(xué)廢物，來自國際空港和海港的垃 圾；輻照處理再生

26、的廢橡膠和塑料。（一）城市污水污泥在日本處理和處置污泥是一個棘手的難題。在內(nèi)地和沿海地區(qū)大約有60%的污泥需要處 置。盡管污泥中通常有致病的細(xì)菌和寄生蟲，但利用城市排出的污泥對植物的生長、農(nóng)作物 增產(chǎn)和改良土壤都是有益的。在德國，一個處理污泥的輻照裝置已運(yùn)行了將近30a。最近又有 一個處理污泥的輻照裝置在印度開始運(yùn)行。污泥經(jīng)輻照滅菌后，可作為肥料直接在農(nóng)田使用 由于在日本農(nóng)村逐漸城市化，因此即使經(jīng)過滅菌處理的污泥也不能直接使用。這些含有有機(jī) 物的污泥是一種污染源，它釋放出一股令人作嘔的氣味并聚集著令人發(fā)麻的各種昆蟲，為了 使污泥中的有機(jī)物穩(wěn)定且易降解，必須對污染滅菌，制成堆肥。日本原子能研究所

27、已開始研究一個有效地處理污泥的工藝-電子束滅菌便制成堆肥。傳統(tǒng) 的制造堆肥方法必須利用堆肥時產(chǎn)生的熱量對污泥進(jìn)行滅菌。在傳統(tǒng)的方法中，堆肥的制造 是靠微生物，但堆肥產(chǎn)生的熱量既能滅菌又對微生物構(gòu)成殺傷，而且還需要很長時間才能制 成。在日本原子能研究所高崎輻射化學(xué)研究中心研究的工藝中，是先滅菌，后堆肥，而且還 可以選擇最佳的制造堆肥的條件來獲得更好的效果。堆肥的制成率受溫度影響大，最佳的溫 度40C50C。最佳的pH值是78。為了使需氧菌發(fā)酵、需要在直徑大約為5mm的粒狀 污泥中補(bǔ)充氧。用輻照方法制造堆肥，排放二氧化碳時間只需2d3d ；而用傳統(tǒng)方法則需要 10d以上。為殺死致病的細(xì)菌發(fā)酵溫度需

28、在65C以上。在新工藝中滅菌和制造堆肥是分開的, 因此可以選擇最佳的制造堆肥的條件，使堆肥制造周期縮到最短。（二）生物醫(yī)學(xué)廢物來自醫(yī)院、研究和診斷實(shí)驗(yàn)室等的廢物，被看作是潛在的污染源。因此，存在著對公眾 健康危害。這一類也包含解剖的廢物，動物的組織和機(jī)體部分。據(jù)Gay等人估算，醫(yī)院廢物 中大約85%是不傳染疾病的廢物，其余的被看作是生物醫(yī)學(xué)廢物。其中醫(yī)院大部分或全部都 按生物醫(yī)學(xué)廢物處理其廢物。在北美，近來不允許未經(jīng)適當(dāng)處理（比如燃燒）而把生物醫(yī)學(xué)廢物處置在填埋場。但是， 醫(yī)院廢物可能還有大量還有大約20%的塑料（比如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等）。如果燃 燒，會產(chǎn)生有毒氣體產(chǎn)物，現(xiàn)在這些有毒氣

29、體必須被除去。另一方面，為了防止在處理這種 廢物時傳染疾病的危險(xiǎn)，可通過輻照對生物醫(yī)學(xué)廢物進(jìn)行消毒。在這種情況下，為了提供一 個清潔的環(huán)境，政府當(dāng)局應(yīng)該采納和規(guī)定輻照程序。在實(shí)施過程中，存在幾個樣板和一些限 定，這在文獻(xiàn)19中已有評述。（三）來自國際空港和海港的垃圾此類廢物（如食品碎屑、塑料、纖維素等）可能存在動物濾過性病毒（如白蹄疫、豬的 傳染性水皰病、非洲豬熱病等）潛在傳染病原體。因此，在大多數(shù)國家里，用專門處理這種“國 際廢物的規(guī)章。在加拿大，對上述廢物加熱到大約100C以上，至少30min,或者進(jìn)行焚化已 達(dá)到消毒殺菌目的。根據(jù)規(guī)定，用于貯存和運(yùn)輸廢物的容器，在重復(fù)使用之前，應(yīng)該進(jìn)行清

30、 洗和消毒。國際廢物消毒的一種可能替代方法是采用輻照（Y射線或電子束）。輻照裝置可以設(shè)在 空港區(qū)并能自動和連續(xù)的工作。這種概念設(shè)計(jì)是可靠而經(jīng)濟(jì)的，能滿足清潔環(huán)境的現(xiàn)代要求 當(dāng)然，生物醫(yī)學(xué)廢物和來自國際空港與海港的垃圾，兩者的輻照消毒如果合適的話，可以由 一個輻照設(shè)施來處理。（四）橡膠的輻照處理采用輻射手段，回收來自舊輪胎的橡膠是一種成熟的方法。再生材料獲得有價值的加工 特性，而且由此增加的制造新輪胎的組份，目的為了改進(jìn)它們的耐用性?；厥障鹉z的過程包括:先把舊輪胎切割程序的小碎片，然后再用高能電子束或Y射線輻照， 使大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分解，然而交聯(lián)過程也發(fā)生了。這些過程的結(jié)果是觀察到了橡膠力學(xué)性質(zhì)

31、的變化。因此，較少的能量（30%55%）是為了原料的研磨。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。應(yīng)該指出某些進(jìn)一步的輻照效應(yīng)也已被觀察到，例如隨著劑量的增大，模量值、硬度和 支架的質(zhì)量也產(chǎn)生也增加了，但其抗腐蝕性卻降低了。（五）塑料的輻照處理輻射誘發(fā)塑料降解的早期研究，是20世紀(jì)50年代和60年代由若干研究組研究核技術(shù)應(yīng)用 時完成的。一般地，與橡膠類似，塑料大分子也是由C-C鍵的斷裂而分解的。其結(jié)果獲得了 氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)產(chǎn)物的小分子，它們可用作適當(dāng)合成物的原材料。作為一個例子，輻照誘 發(fā)的聚四氟乙烯（PTFE）的降解已有簡短的論述。通過電子束輻照PTFE的降解，得到G=

32、41.2,而用Y射線則G=12.8。為了得到所要求的 分子大小的產(chǎn)品份額，在輻照期間，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。各種非降解產(chǎn)物都具有廣泛的應(yīng)用。舉其中一個例子來說，如全氟烯烴，它們可以轉(zhuǎn)化 為一具有特殊性能的氟化表面活性劑，或者它們也可以氧化為特殊用途所需的全氟羧酸。作 為副產(chǎn)品出現(xiàn)的全氟烷烴，可以用做高質(zhì)量的絕緣材料、容劑和潤滑劑，滿足某種特殊需求。 最后，它們也可用作合成的原料。此外，加速器在環(huán)保還有其它的應(yīng)用，如：強(qiáng)流連續(xù)束質(zhì)子加速器可用于核廢料處理、 核燃料生產(chǎn)和以潔凈的方式產(chǎn)生核能。用加速器產(chǎn)生的強(qiáng)束流轟擊核廢料，可以將其中的長 壽命放射性元素轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫?/p>

33、或短壽命的元素。利用加速器產(chǎn)生的1GeV，數(shù)十毫安級的強(qiáng) 流質(zhì)子束驅(qū)動次臨界核反應(yīng)堆，可以安全、潔凈地發(fā)電而用加速器產(chǎn)生的束流和靶物質(zhì)進(jìn)行 核反應(yīng)則是一種生產(chǎn)核燃料的有效方式。第三節(jié) 核分析技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用目前多種核分析技術(shù)及與核相關(guān)的分析已廣泛應(yīng)用于大氣污染物監(jiān)測、水體和各類環(huán)境 樣品的分析，以及對有害元素及物質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)中的影響和遷移規(guī)律的研究等。我國在環(huán)境 研究中，應(yīng)用的核技術(shù)方法包括：示蹤技術(shù)。利用壽命短、其物化行為與模擬介質(zhì)相似的放射性核素為示蹤劑的示蹤 方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在環(huán)境大氣和水中擴(kuò)散模式的實(shí)驗(yàn)研究。中子活化技術(shù)。目前已從總量分析發(fā)展到元素的化學(xué)總態(tài)分析。質(zhì)子激發(fā)X射線

34、分析和掃描質(zhì)子微探針。已廣泛應(yīng)用于大氣細(xì)顆粒的原識別。同步輻射技術(shù)。同步輻射是速度接近光速的電子在運(yùn)動中改變方向時所發(fā)出的電磁 輻射, 它是一種很純凈的光源，沒有韌致輻射本底，被照射的樣品所吸收的能量比 用帶電粒子（如電子、質(zhì)子等）束激發(fā)所吸收的能量降低 103105 倍，極大地減弱 了對樣品的破壞（熱損傷）。同步輻射 X 射線熒光分析已經(jīng)廣泛應(yīng)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(xué)。已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(xué)總態(tài)。加速器質(zhì)譜技術(shù)，是一種超高靈敏度現(xiàn)代核分

35、析技術(shù)，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(jìn)行示蹤研究，其探測下限可達(dá) 10-2 至 10-15 。低溫等離子體技術(shù)。已廣泛應(yīng)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(shù)。在災(zāi)變環(huán)境、室內(nèi)氡氣的監(jiān)測等方面有重要作用。 核分析技術(shù)在輻射環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用主要有：環(huán)境輻射水平監(jiān)測：包括大氣中的放射性氣溶膠，地面Y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(shè)施的監(jiān)測：核設(shè)施煙囪放射性流出物監(jiān)測；核設(shè)施周圍輻射環(huán)境水平監(jiān)測；利用流動Y譜儀尋測技術(shù)，可以快速進(jìn)行大地輻射劑量分布和相應(yīng)核素活度的測量。 從而快速進(jìn)行環(huán)境污

36、染水平調(diào)查和環(huán)境影響評價。由聯(lián)合國計(jì)劃開發(fā)署資助、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）負(fù)責(zé)完成的“Y測量對固體廢棄物污 染物監(jiān)測研究”于 1991 年在內(nèi)蒙古呼和浩特市開展了對工業(yè)廢物、生活垃圾和人畜糞便等的 監(jiān)測。美國、德國、前蘇聯(lián)和我國等相繼開展了室內(nèi)氡濃度調(diào)查。用氡氣異常預(yù)報(bào)地震和火 山一直在研究之中，美國在加利福尼亞州中部的San Andress斷層上沿380km剖面建立了 360 多個測氡點(diǎn)，用核徑跡蝕刻法進(jìn)行地震預(yù)報(bào)研究。除去在環(huán)境科學(xué)方面的直接應(yīng)用以外，核 監(jiān)測技術(shù)在水文學(xué)、地質(zhì)學(xué)、氣象學(xué)、以及在農(nóng)業(yè)、生物學(xué)方面的應(yīng)用，均與環(huán)境科學(xué)和環(huán) 境工程有緊密的聯(lián)系。在眾多的核分析技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的是中

37、子活化分析和同位素示蹤技術(shù)，下面就中子 活化分析和同位素示蹤技術(shù)進(jìn)行較詳細(xì)的表述。一、中子活化分析（一）中子活化分析在大氣環(huán)境地球化學(xué)中的應(yīng)用大氣污染已經(jīng)成為危害人類健康的一個很重要的問題，其污染濃度在全球范圍內(nèi)普遍升 高，特別是城市工業(yè)地區(qū)更為突出。人為來源造成的大氣污染，因?yàn)殚L期附加有天然來源， 往往很難鑒別。所以研究大氣污染問題，就必須測定污染物的化學(xué)元素組份。許多分析方法 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣溶膠的組份研究，除了常用的化學(xué)分析方法以外，其它如：以設(shè)法、發(fā)射 光譜法、原子吸收光譜法、X射線熒光分析法、等離子體發(fā)射光譜法、掃描電鏡X熒光分析法、 質(zhì)子激發(fā)X熒光分析法以及中子活化法等都普遍地被采

38、用。氣溶膠具有某些特征：在大氣中 的濃度很低以及它所含的元素濃度更低，要求選擇靈敏度高、準(zhǔn)確度好的分析方法。氣溶膠 中含有大量元素，其相互間具有一定相關(guān)關(guān)系，為了鑒別污染物的來源以及計(jì)算各個污染源 的貢獻(xiàn)，需要進(jìn)行多元素分析，然后利用數(shù)學(xué)模式計(jì)算定量確定元素。氣溶膠中還有經(jīng)高溫 灼燒過的碳質(zhì)微粒，較難完全溶解，而且還含有部分易揮發(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(zhǔn)確地測定其全量。常用的分析方法較難滿足上述要 求。中子活化分析由于其靈敏度高，準(zhǔn)確度好，適應(yīng)性強(qiáng)，可不破壞樣品同時測定四、五十 種微量元素的含量，已成為研究大氣污染問題的一個主要手段。氣溶膠特征研

39、究方法：1. 采樣與布點(diǎn)在大氣污染的監(jiān)測現(xiàn)場，從非均相氣體體系中采集有代表性的氣溶膠，是氣溶膠研究工 作中最困難和關(guān)鍵的步驟。根據(jù)研究工作的目的和要求，其布點(diǎn)數(shù)目、采樣時間和頻率各不 相同。采樣地點(diǎn)和高度的選擇以及采樣技術(shù)的使用是否恰當(dāng)，都會影響研究結(jié)果，因而必須 按一定條件，選擇較合適的方式。例如，在一定流速的氣流中，采集氣溶膠時、需按動力學(xué) 條件的要求進(jìn)行采樣（在污染源的排放煙囪或飛機(jī)上采樣等），否則所得結(jié)果將會產(chǎn)生很大 偏差。迄今為止，還沒有一種現(xiàn)成的方法能適合各種目的和要求。采集氣溶膠的方法主要有以下八種：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。目前，

40、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。濾膜的選擇（ 1 ）濾膜的收集效率：有機(jī)膜或核孔濾膜（Nclepore ）的小顆粒具有很高的收集效率，但是氣流速度相對較低。 聚苯乙烯纖維膜雖能通過高速氣量，但難于灰化，不適宜應(yīng)用于放化分離中子活化分析。Whatman41濾膜對亞微米顆粒的收集效率為85%90%。Zefluor濾膜在32Lmin-l流量條件 下，對0.3ym顆粒的收集效率為99%。濾膜的效率隨顆粒粒徑的減小、濾膜孔徑的增大和顆 粒在濾膜上的面速度的增加而減小。一般有機(jī)濾膜適用于采集0.3gm的顆粒。玻璃纖維 （Micro-sorban）

41、由于其能使氣流很快通過，阻力較小，適用于大容量采樣器，不過其收集效 率相對較低。（2）濾膜的純度 應(yīng)用中子活化分析測定氣溶膠元素組份，采樣內(nèi)膜的純度，是確定被測元素探測極限的 決定因素，因此選擇雜質(zhì)含量低的濾膜是至關(guān)重要的。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。測定氣溶膠的分析程序（1）樣品與標(biāo)準(zhǔn)的制備： 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隆沖模壓成3mm8mm的薄片，備作照射用。（2）樣品照射中子輻照

42、試樣所產(chǎn)生的放射性活度取決于下列因素：試樣中該元素含量的多少，嚴(yán)格 地講，是產(chǎn)生核反應(yīng)元素的某一同位素含量的多少；輻照中子的注量；待測元素或其某 一同位素對中子的活化截面；輻照時間等。大氣氣溶膠或其它任何環(huán)境物質(zhì)，用中子活化分析，首先要考慮的因素就是可供照射的 核反應(yīng)堆管道位置的中子注量率是多少。因?yàn)檫@決定了可測出氣溶膠中哪些元素以及它們的 探測極限。根據(jù)被測元素的核性質(zhì)，采用不同的照射和衰變時間，分別測出各放射性核素的 放射性活度，求出氣溶膠中各元素的濃度。短照射（利用短壽命核素進(jìn)行測定）本工作是在微型反應(yīng)堆上進(jìn)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

43、型堆中心管道（中子注量率為9xl0iim-2s-i）。照射lOmin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(jìn)行測量。長照射（利用中、長壽命核素進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)及作為質(zhì)量監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)參考物一起裝入照射的鋁筒類，送入重水型核反應(yīng)堆管道（中子注量率為 6x1013m-2.s-1），照射2Oh40h。樣品照射后，轉(zhuǎn)移至塑料測量盒內(nèi)，冷卻5d6d后，先測量 一次，計(jì)數(shù)時間為2000s，冷卻15d16d,再進(jìn)行第二次測量，計(jì)數(shù)時間為4000s。圖7-6給出 了照射和技術(shù)程序圖解。圖7

44、-6 照射與技術(shù)程序圖解（3）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Y能譜。 用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，程序經(jīng)過尋峰、凈峰面積的計(jì)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(xiàn)的扣除校正后，與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，即可計(jì)算出試樣 中個待測元素的含量。（二）中子活化分析在水環(huán)境地球化學(xué)中的應(yīng)用水是環(huán)境中比較活躍的介質(zhì)，又是環(huán)境中物質(zhì)交換的紐帶。隨著人類對自然資源大規(guī)模 開發(fā)利用，人為因素計(jì)入地質(zhì)環(huán)境，改變了水圈的成分?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，大量工業(yè)廢水排入 江、河、湖、海，污染了水體，嚴(yán)重地威脅人們的健康，已引起全世界的重視。為了判斷天 然水

45、域的污染狀況，首先必須對水中的有害元素As、Hg、Cd、Pd等進(jìn)行分析。并將結(jié)果與 未受污染情況下元素的自然背景值進(jìn)行比較，從而為污染的預(yù)防和治理提供科學(xué)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(jìn)的分析方法。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(diǎn)，在各種淡水（河、湖、雨、 沼澤水）、海水和地下水分析中都得到了廣泛的應(yīng)用。對于含量極低（0.001聘L-10.1聘L-i） 的元素，分析前要進(jìn)行預(yù)濃集，預(yù)濃集可以采用離子交換、溶劑萃取、電沉積、低溫蒸發(fā)、 活性炭吸附、共沉淀和冷凍干燥等方法。將經(jīng)過預(yù)濃集的水樣和標(biāo)準(zhǔn)封裝在一起，進(jìn)行一定 注量率的中子照射，經(jīng)過適當(dāng)

46、的照射時間和衰變時間以后，將樣品轉(zhuǎn)移出來置于探測器上測 量放射性活度，依此計(jì)算出元素的含量。分析方法的探測極限取決于樣品基體組分和測量條件，中國科學(xué)院高能物理研究所中子 活化分析實(shí)驗(yàn)室在1980年利用冷凍干燥的方法預(yù)濃集天然水，用中子活化法分析水中多種元 素，其探測極限列于表7-1，由于他們照射樣品使用反應(yīng)堆中子注量率較高，并且 Ge（Li） 探測器的探測效率高，所以對稀有元素和稀土元素的分析靈敏度高于其它分析方法。表7-1探測極限兀素探測極限，幗H兀素探測極限，幗L-i兀素探測極限,|igL-iAg0.04Cs0.005Sb0.007As0.002Eu0.001Sc0.0002Au0.000

47、04Fe5Se0.05Ba2Hf0.004Sr6Zn0.5La0.01Sm0.0003Ca2Lu0.001Tb0.004Ce0.05Mo0.1Th0.005Co0.01Nd0.2U0.005Cr0.07Rb0.2Yb0.004在 20 世紀(jì)七、八十年代，中國科學(xué)院高能物理研究所中子活化分析實(shí)驗(yàn)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(nèi)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(jìn)行了測定，為評價天然水的污染程度、合理開發(fā)自然資源、探索地方性疾病的預(yù)防以 及某些元素

48、的豐缺與人體健康的關(guān)系提供了科學(xué)的依據(jù)。（三）中子活化分析在土壤環(huán)境地球化學(xué)中的應(yīng)用目前，活化分析已成為微量元素分析中最有效的方法之一，土壤樣品的基體成分極其復(fù) 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。1978年，中國科學(xué)院高能物理研究所中子活化分析實(shí)驗(yàn)室 針對土壤、巖石及河流沉積物中微量元素的測定，建立了不破壞樣品的儀器中子活化分析方 法，利用該方法先后開展了土壤中微量元素研究、月球巖石樣品的微量元素組成研究、考古 樣品及國內(nèi)外各種標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)的定值分析等工作。土壤樣品的分析方法是將制備好的土壤樣品與標(biāo)準(zhǔn)同時送入反應(yīng)堆，

49、在一定的注量下進(jìn) 行一定時間的輻照，照射后的樣品和標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過不同的冷卻時間，在相同的幾何條件下用Y 射線能譜儀進(jìn)行分析。例如：中國科學(xué)院高能物理研究所中子活化分析實(shí)驗(yàn)室對土壤樣品的 分析。他們將制備好的土壤樣品與標(biāo)準(zhǔn)一并送入中國原子能科學(xué)研究院的重水反應(yīng)堆（中子 注量率約為6xl0i3m-2s-i）或者清華大學(xué)核能技術(shù)研究所的游泳型反應(yīng)堆（中子注量率約為 lxl0i3m-2s-i）中照射，照射時間約10h15h。照射后的樣品和標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過不同的冷卻時間, 在相同的幾何條件下用高分辨率HPGe探測器分析Y核素活度。Y射線能譜分析、各種干擾 校正及元素含量的計(jì)算均由微機(jī)程控Y能譜儀系統(tǒng)完成。表7-2

50、列出了工作所用的照射時間、 冷卻時間及測定的元素。為了檢驗(yàn)分析方法的可靠性及實(shí)現(xiàn)分析質(zhì)量控制，在分析樣品的同時，測定了美國國家 標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）及美國地質(zhì)調(diào)查所研制（USGS）和發(fā)行的各種標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)樣品， 并進(jìn)行了多個樣品的平行分析。測定結(jié)果表明絕大多數(shù)元素的測定值與美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的鑒 定值和文獻(xiàn)值符合相當(dāng)好，其準(zhǔn)確度和精密度均在10%以內(nèi)。表7-2樣品的輻照、冷卻時間及測定元素中子注量率照射時間冷卻時間測定的兀素1x1013m-2s-1 6x1013m-2s-110h15h5dAs、（Au）、K、La、Na、Sm、U、W、Yb15dBa、Lu、Nd、Rb30dCe、Co、Cr、Cs、

51、Eu、Fe、Hf、Ni、Sb、Sc、Sr、Ta、Tb、Th、Yb、Zr水樣分析只能代表采集水樣瞬間的水質(zhì)狀況，底沉積物是集水區(qū)內(nèi)各種污染源對該區(qū)環(huán) 境質(zhì)量貢獻(xiàn)的綜合反映。日本國立環(huán)境研究所（NIES ）應(yīng)用儀器中子活化分析（I NAA）法, 實(shí)現(xiàn)了海洋沉積物中 50多種元素的定量測定。成都理工學(xué)院也采用中子活化分析方法對成都 市府南河水系底沉積物樣品中 Na、K、Ca、Sc、Ti、Cr、Ni、Zn、As、Se、Rb、Sr、Zr、 Mo、Ag、Cd、Sb、Cs、Ba、La、Ce、Nd、Sm、Eu、Tb、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Au、Hg、 Th、U 30余種元素進(jìn)行測定，利用水系沉積物的克拉

52、克值（即該元素在水系沉積物中的平均 含量）作為比對標(biāo)準(zhǔn)。獲得了評價府南河污染狀況的基礎(chǔ)資料。二、同位素示蹤技術(shù)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(jìn)行標(biāo)記的微 量分析方法。同位素示蹤所利用的放射性核素（或穩(wěn)定性核素）及它們的化合物，與自然界 存在的相應(yīng)普通元素及其化合物之間的化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)是相同的，只是具有不同的核 物理性質(zhì)。因此，就可以用同位素作為一種標(biāo)記，制成含有同位素的標(biāo)記化合物（如標(biāo)記食 物，藥物和代謝物質(zhì)等）代替相應(yīng)的非標(biāo)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(zhì)，就可以用核探測器隨時追蹤的位置、數(shù)量及其轉(zhuǎn)變等，穩(wěn)定性同位素雖然不釋 放

53、射線，但可以利用它與普通相應(yīng)同位素的質(zhì)量之差，通過質(zhì)譜儀，氣相層析儀，核磁共振 等質(zhì)量分析儀器來測定。放射性核素和穩(wěn)定性同位素都可作為示蹤劑，但是，穩(wěn)定性同位素 作為示蹤劑其靈敏度較低，可獲得的種類少，價格較昂貴，其應(yīng)用范圍受到限制；而用放射 性核素作為示蹤劑不僅靈敏度高，而且具有測量方法簡便易行、能準(zhǔn)確地定量、準(zhǔn)確地定位 等特點(diǎn)。同位素示蹤技術(shù)包括放射性核素示蹤劑法和穩(wěn)定同位素蹤劑法。對于環(huán)境工程、農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)和環(huán)境化學(xué)來說，同位素示蹤技術(shù)具有突出的優(yōu)點(diǎn)。將標(biāo) 記化合物或示蹤劑加入所研究的體系中，借助于對同位素的測定技術(shù)，即可發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)隨 同類物質(zhì)進(jìn)行的運(yùn)動和變化規(guī)律。由于同位素的特殊輻射

54、性能，采用同位素示蹤技術(shù)測量樣 品，往往無需分離即可達(dá)到極高的測定靈敏度和準(zhǔn)確度，該法早已被廣泛應(yīng)用于研究污染物 在土壤、地表水、地下水中的遷移行為。另外，對于污染物在生物鍵中轉(zhuǎn)移規(guī)律的研究、污 染物處理的機(jī)理研究中，經(jīng)常應(yīng)用示蹤技術(shù)，利用示蹤方法對關(guān)鍵核素的遷移與轉(zhuǎn)化所開展 的研究，已經(jīng)在核廢物的處理、處置中占有極重要的地位。利用測定樣品中示蹤同位素在不同條件下的含量差別，可以推斷環(huán)境基質(zhì)在自然界中曾 經(jīng)發(fā)生的過程。例如，利用同位素作為準(zhǔn)確的時標(biāo)，通過海水中的鈾系不平衡研究，可以推 斷與預(yù)測一系列的海洋環(huán)境的變遷過程。在環(huán)境水文地質(zhì)范疇中，利用1七、氚、以及若干 穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)，對地表

55、水和地下水的研究，早已積累了系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。在農(nóng)業(yè)環(huán)境保 護(hù)中應(yīng)用放射性核素示蹤技術(shù)，也有較長的歷史。例如，利用標(biāo)記技術(shù)能夠全方位跟蹤農(nóng)藥 和化學(xué)污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的施加、吸收、降解、轉(zhuǎn)移與積累等過程。由于示蹤技術(shù)能夠揭 示原子、分子運(yùn)動規(guī)律以及其它方法難以發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，在高科技領(lǐng)域里發(fā)揮了重要的作用。 例如，在環(huán)境化學(xué)領(lǐng)域里，可以用來識別反應(yīng)的中間產(chǎn)物，在研究生物機(jī)體的新陳代謝過程 時，示蹤法不僅能定量地測定代謝物質(zhì)的轉(zhuǎn)移與變化規(guī)律，而且可以確定代謝物質(zhì)在各個器 官中的定量分布，是生態(tài)研究極為有力的武器。由于用人工方式可以得到具有極高放射性比 度的示蹤劑。因而大大提高了放射性測定的靈敏度與精確度。

56、這個特點(diǎn)使得示蹤技術(shù)在環(huán)境 領(lǐng)域中仍在繼續(xù)擴(kuò)大它的應(yīng)用范圍。（一） 放射性核素示蹤劑法放射性核素示蹤劑法是放射化學(xué)中常用的方法，是把化合物中的非放射性原子用同一元 素的放射性原子所取代，例如把有機(jī)物中的 12C 原子用 14C 原子取代等。由此即可在化學(xué)、 生物反應(yīng)或遷移過程中跟蹤這些放射性核素的行跡。放射性示蹤技術(shù)，在研究地下水流向， 監(jiān)測水庫、大壩裂隙，研究河水中沉積物運(yùn)動速度及遷移等方面獨(dú)具特色。例如，根據(jù)不同來源的硝酸鹽中的15N同位素比的差別，可以有效地判斷該種污染物是 來自化肥，還是來自城市污水或土壤中的礦物質(zhì)；同樣，由于深層水與地表水中 18O 的同位 素豐度不同，根據(jù)水中 18

57、O 的測定就可以確定二者的年齡和其間的補(bǔ)給關(guān)系等。在大環(huán)境研 究中的同位素測年技術(shù)，更是其它方法無法替代的。由于14C的放射性強(qiáng)度是時間的函數(shù)。 人們可以簡單地利用14C的半衰期作為地下水齡的唯一依據(jù)。例如，人們通過對石河子地區(qū) 地下水與其來源新疆阿爾泰山的雪水中 14C 含量測定結(jié)果指出，由阿爾泰山雪水轉(zhuǎn)化為石河 子地區(qū)的地下水，要花去近兩千年的時間。這就為估計(jì)該地區(qū)的地下水的可利用量限度及預(yù) 測超量使用地下水的后果提出了有效控制與管理的重要依據(jù)。同樣，應(yīng)用同位素分析技術(shù)對 我國青海湖的成因進(jìn)行研究的結(jié)果得出結(jié)論：青海湖的水在相當(dāng)長的時間內(nèi)不會干涸。這個 結(jié)論對于青海湖地區(qū)的發(fā)展，無疑起到十

58、分重要的作用。對某些應(yīng)用核能的地區(qū)或核設(shè)施附 近地區(qū)來說，若干放射性核素在環(huán)境中的濃度直接反映環(huán)境質(zhì)量。例如，氡在環(huán)境中的遷移 問題就一直為各國環(huán)境學(xué)者以重視。放射性核素示蹤技術(shù)具有靈敏度高、方法簡便、不受環(huán)境和化學(xué)因素影響等優(yōu)點(diǎn)，在各 種學(xué)科的研究中得到廣泛的應(yīng)用。在地球科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的示蹤研究中通常采用自然界中存 在的放射性核素。例如，利用14C研究全球各大洋的洋流循環(huán)模式，利用ioBe示蹤火山巖漿 的來源從而驗(yàn)證板塊俯沖理論，利用36C1示蹤地下水的滲透率等。利用129I示蹤核泄露已成 為當(dāng)前進(jìn)行核核查的重要手段?；瘜W(xué)、生物與醫(yī)學(xué)的示蹤研究則多采用放射性核素標(biāo)記化合 物的方法，最常用的有

59、 3H、14C、32P、125I、131I 等標(biāo)記的化合物。利用示蹤技術(shù)還可以研究 微量元素在農(nóng)作物中的分布、遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，化肥和農(nóng)藥的損失及其在土壤中的殘留，以 及水土流失、草場退化等農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問題。應(yīng)用15N示蹤研究施肥技術(shù)可提高氮肥利用率 10%20% 。（二） 穩(wěn)定同位素示蹤劑法80年代以后，由于在環(huán)境管理、環(huán)境質(zhì)量評價、環(huán)境影響評價與污染趨勢預(yù)測等方面的 研究發(fā)展，往往需要能真實(shí)反應(yīng)客觀情況的數(shù)學(xué)模型。在提出模型之后，還要求對其可靠性 進(jìn)行驗(yàn)證。而氚、14C、180等環(huán)境同位素測量技術(shù)在準(zhǔn)確度與精確度方面的提高，對模型的 驗(yàn)證提供了極大的方便。穩(wěn)定同位素測定技術(shù)，還進(jìn)一步開拓了核

60、測量技術(shù)在環(huán)境科學(xué)中的 應(yīng)用范圍。利用氫氧同位素可以研究水分的循環(huán)。地球上的水分通過蒸發(fā)、凝聚、降落、滲透和徑 流形成水分的循環(huán)。水分子的某些熱力學(xué)性質(zhì)與組成它的氫、氧原子的質(zhì)量有關(guān)，因而在水 分循環(huán)過程中會產(chǎn)生同位素分餾。由于存在著 3種穩(wěn)定性的氧同位素和兩種穩(wěn)定性的氫同位 素，所以普通的水分子存在9種不同的同位素組合，即H216O （分子量18）、H217O （分子量 19）、H218O （分子量 20）、HD6O （分子量 19）、HD17O （分子量 20）、HD18O （分子量 21）、 D216O （分子量20）、D217O （分子量21）、D218O （分子量22）。由于各種同位