核技术应用环境

第七章核技术在环境领域中的应用近些年来，核技术在环境科学和环境保护领域中的应用得到了较快的发展。核技术在环境中的应用大致可分为两大类：辐射技术主要用于环境废物的处理。核分析技术主要用于环境样品的分析探测。利用辐射技术对环境废物进行辐射处理是近30年发展起来的新技术。原理：辐射技术利用射线与物质发生相互作用（电离、激发）产生活化原子与活化分子，而活化原子与分子进一步与物质发生一系列物理、化学与生物化学变化，导致物质降解、聚合、交联等，并发生改性。辐射技术为采用常规方法难以处理的某些污染物提供了新的净化途径。第一节辐射技术在环境中的应用在环境保护方面，辐射技术的主要用途是利用照射使产生的一系列反应使环境污染物发生变化，从而达到治理和回收利用的目的。辐射处理广泛适用于废气、废水和固体废物的处理，正在成为环境保护的重要手段之一。辐射处理手段：γ射线——反应堆电子束——加速器辐射技术在环境中的应用工业上最常用的放射性核素：60Co半衰期5.26a，每次衰变放射出1.17MeV和1.33MeV两种γ射线137Cs半衰期30a反应堆在环境中的应用废水处理基本原理：水分子在辐射作用下生成一系列具有强活性的辐解产物，如OH，H，H2O2等自由基；强活性的辐解产物与废（污）水中的有机物发生反应，使它们分解或改性。将放射源辐照技术与普通废水处理技术（如凝聚法、活性炭吸附法、臭氧活性污泥法等）联用，具有协同效应，可提高处理效果。反应堆在环境中的应用废水处理应用：明显消除城市污水中的TOC（总有机碳）、BOD（生物需氧量）、COD（化学需氧量），并灭活污水中的病原体；有效处理洗涤剂、有机汞农药、增塑剂、亚硝胺类、氯酚类等有害有机物质。例：前苏联曾建成一座放射源辐照处理试验厂，用于抗菌素工厂的废水处理，其废水日处理量达到15000m3，经处理的废水各项指标皆优于常规处理法。反应堆在环境中的应用固体废物处理固体废物是指在生产建设、日常生活和其他活动中产生的污染环境的固态、半固态废弃物质，主要包括生活垃圾、工业固体废弃物、农业废弃物等。生活和工业垃圾的处理例：（俄罗斯）快中子核反应堆中加砌一个燃烧炉，通过高温汽化处理垃圾。废塑料的处理例：聚四氟乙烯的辐射降解。反应堆在环境中的应用固体废物处理污泥的处理污泥中含有大量的能量与生物价值，是优良的农田肥料和土壤改良剂。但由于同时含有大量病原体而不能直接利用。辐射技术可以克服常规处理方法的缺点，是目前国际上普遍认为很有前途的污泥处理方法。γ放射源和电子束辐照均可用于污泥的处理。反应堆在环境中的应用固体废物处理污泥的处理辐照处理污泥的优点：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，不会减少污泥的肥力和产生难闻的臭味；能防止污泥中的杂草种子发芽，但不会影响正常种子的发芽；处理温度较低（25-300C），减少对工厂设备的腐蚀；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。反应堆在环境中的应用固体废物处理其他纤维素是城市废物与农业废物的主要成分。例：日本曾用辐照法处理木屑、废纸、稻草等，通过糖化与发酵而得到酒精。美国则采用对这类纤维素用加酸后辐照处理的方法得到葡萄糖，其回收率高达56%。腐败的食物在经辐照处理后可作为动物的饲料。反应堆在环境中的应用低能加速器在国民经济各个领域广泛应用：工业——活化分析、大型加速器的离子注入、辐照改性、无损检测等；农业——品种改良、消灭病害、食品保鲜等；医疗——治疗癌症、辐照消毒、生产短寿命同位素等；国防——X射线模拟源等；环境——燃煤烟气的脱硫脱氮处理等。利用加速器产生的电子束进行辐照处理正在成为环境保护的重要手段之一，电子束的工艺技术广泛适用于废气、废水和固体废弃物的辐照处理。加速器在环境中的应用废气处理加速器在废气处理方面的应用主要是有害烟气的处理。大气中的SO2与NOx是主要的污染物，其主要来自于烟囱排放的烟气。高能辐射化学法是一类新型烟气脱硫脱硝技术，主要分为电子束辐射法（EBA）和脉冲电晕法（PPCP）两种。加速器在环境中的应用废气处理电子束辐照法：反应机理：自由基生成—烟气中的氮、氧、水蒸气等吸收辐照电子束能量，生成大量反应活性极强的各种自由基；SO2及NOx的氧化—SO2及NOx被自由基等活性物氧化，生成硫酸和硝酸；硫铵和硝铵的生成—硫酸和硝酸与事先注入的氨进行中和反应，生成硫酸铵和硝酸铵气溶胶粉末微粒；若尚有未反应的SO2及NH3，则在微粒表面继续进行热化学反应生成硫铵。加速器在环境中的应用废气处理电子束辐照法：优点：能同时脱硫脱硝，并可达到90%以上的脱硫率和80%以上的脱硝率；是一种干法处理技术，不产生废水废渣；无需催化剂；系统简单，操作方便，过程易于控制；对不同含硫量的烟气和烟气量的变化有较好的适应性和负荷跟踪性；反应生成可利用的副产品，副产品为硫铵和硝铵混合物，可用作化肥；脱硫脱硝成本比传统方法更经济。加速器在环境中的应用废气处理电子束辐照法：缺点：电子束剂量需求高；电能需求大；运行费用高；辐照后气溶胶需过滤等。电子束辐照法还能有效净化其他工业废气，如易挥发的有机物（VOCs）、汽车尾气、有气味有毒的气体和焚烧炉废气等。加速器在环境中的应用电子束辐照烟气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。电子束烟气脱硫脱硝系统中的反应器废气处理脉冲电晕法等离子体法：反应机理：与电子束辐照法相似利用高能电子使烟气中的H2O、O2等气体分子激活、电离或裂解而产生强氧化性的自由基，对SO2和NOx进行等离子体催化氧化，分别生成相应的酸，进一步在有添加剂的情况下，生成相应的盐而沉降下来。优势：可同时除尘研究表明，烟气中的粉尘有利于PPCP法脱硫脱氮效率的提高，因此，PPCP法集三种污染物脱除于一体，且能耗和成本比EBA法低，从而成为具有吸引力的烟气治理方法。加速器在环境中的应用废水处理水污染是当今全世界非常关注的一个严重问题，使用活化污泥的传统处理方法不能彻底解决问题。电子束辐照技术工艺恰好能满足这个需求，是一项处理污水更有效的技术。原理：辐照作用使水中产生活性物质，如OH基等，可气化和分解水中的有机污染物，并有效杀死水中微生物及灭菌。电子束辐照技术净化污水的另一种途径是利用电子束辐照技术再生用过的活性炭。加速器在环境中的应用固体废物处理电子束辐照处理的固体废物可分为两大类：1）需要辐照消毒的废物，如城市污水污泥、生物医学废物、国际空港和海港垃圾；2）再生的废橡胶和塑料。辐照回收橡胶过程：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。加速器在环境中的应用其他应用加速器在环保中还有其他的应用，如强流连续束质子加速器可用于核废料处理、核燃料生产和以洁净的方式产生核能。加速器在环境中的应用辐射技术是一种新兴的环境治理技术，其主要优点：消毒效果好，对有害微生物彻底杀灭；可避免二次污染；可以解决用普通方式难以解决的问题；使用安全可靠；适用性强，应用范围广。缺点：辐照源价格昂贵；基建投资额高。辐射技术的优缺点目前多种核分析技术及与核有关的分析技术已广泛应用于大气污染物监测、水体和各类环境样品的分析，以及对有害元素及物质在环境介质中的影响和迁移规律的研究等。核分析技术基本原理：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。第二节核分析技术在环境中的应用我国在环境研究中应用的核技术方法包括：示踪技术利用寿命短、物化行为与模拟介质相似的放射性核素作为示踪剂的示踪方法，已经广泛应用在环境大气和水中扩散模式的实验研究。中子活化技术目前已从总量分析发展到元素的化学总态分析；中子活化分析除可进行多元素分析外，还可进行核素分析，这是其他方法不具备的，对测定污染物及其溯源特别有用。核分析技术在环境中的应用质子激发X射线分析和扫描质子微探针已广泛应用于大气细颗粒的原识别。同步辐射技术同步辐射是速度接近光速的电子在运动中改变方向时所发出的电磁辐射，是一种很纯净的光源，没有轫致辐射本底。被照射样品所吸收的能量比用带电粒子束激发所吸收的能量降低103-105倍，极大地减弱了对样品的破坏（热损伤）。同步辐射X射线荧光分析已经广泛应用于环境样品的形态分析，在珍惜的极地环境样品（气溶胶、骨骼和残骨、冰雪等）的分析研究中也是首选分析手段之一。核分析技术在环境中的应用穆斯堡尔谱学已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。加速器质谱技术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10-5。核分析技术在环境中的应用低温等离子体技术已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。在众多的核分析技术中，应用最广泛的是中子活化分析和同位素示踪技术。核分析技术在环境中的应用核分析技术在辐射环境监测领域的应用主要有：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等。利用流动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。核分析技术在环境中的应用中子活化分析在大气环境地球化学中的应用大气污染已经成为危害人类健康的一个很重要的问题。研究大气污染问题，就必须测定污染物的化学元素组分——气溶胶组分研究。中子活化分析在环境中的应用中子活化分析在大气环境地球化学中的应用气溶胶特征：在大气中的浓度很低，所含元素浓度更低要求选择灵敏度高、准确度好的分析方法；含有大量元素，其相互间具有一定相关关系为了鉴别污染物来源及计算各个污染源贡献，需要进行多元素分析，然后利用数学模型计算定量确定元素；还含有经高温灼烧过的碳质微粒（较难完全溶解）和部分易挥发的元素（Hg、As、Se等）用不破坏样品的分析方法才能准确地测定其全量。中子活化分析在环境中的应用中子活化分析在大气环境地球化学中的应用中子活化分析特点：灵敏度高、准确度高、精密度好，适用性强；具备多元素分析能力，可同时测定四五十种微量元素的含量；非接触式无损分析；基体效应小；可实现活体分析；…已成为研究大气污染问题的一个主要手段。中子活化分析在环境中的应用中子活化分析在大气环境地球化学中的应用气溶胶特征研究方法：采样与布点在大气污染的检测现场，从非均相气体体系中采集有代表性的气溶胶，是气溶胶研究工作中最困难和关键的步骤。采集气溶胶常用方法：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。使用最普遍方法：过滤式（采集气溶胶总颗粒）撞击式（采集不同粒径的气溶胶颗粒）中子活化分析在环境中的应用中子活化分析在大气环境地球化学中的应用气溶胶特征研究方法：滤膜的选择滤膜的收集效率滤膜的种类：有机滤膜（Nclepore滤膜、Whatman41滤膜、Zefluor滤膜）、玻璃纤维滤膜（Micro-sorban）等滤膜的纯度应用中子活化分析测定气溶胶元素组分，采样滤膜的纯度是确定被测元素探测极限的决定因素，因此选择杂质含量低的滤膜至关重要。中子活化分析在环境中的应用中子活化分析在大气环境地球化学中的应用气溶胶特征研究方法：测定气溶胶的分析程序样品与标准的制备样品照射中子辐照试样所产生的放射性活度取决于：核素含量、中子注入量、核素对中子的活化截面、辐照时间等。放射性测量及数据处理根据核素性质，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。中子活化分析在环境中的应用中子活