книги из ГПНТБ / Методы радиоизотопного анализа продуктов нейтронной активации и деления

Глава IV

МЕТОДЫ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ТРИТИЯ

Роль трития, как одного из основных компонентов длительного радиоактивного загрязнения внешней сре­ ды, может быть весьма существенной и это обстоятель­ ство стимулирует разработку методов'определения три­ тия в объектах внешней среды. Вместе с тем тритий, являющийся радиоизотопом водорода, по своим физико­ химическим свойствам и энергии излучения значитель­ но отличается от остальных компонентов радиоактивного загрязнения внешней среды (осколки деления, продукты нейтронной активации), поэтому и методы его опреде­ ления специфичны.

да 12,43 года.

Наиболее вероятными химическими формами трития являются его окись (НТО) и элементарное состояние в виде двухатомной молекулы (НТ). Тритий может так­ же входить в состав углеводородов или других водород­ содержащих соединений. Биологическое действие трития связано главным образом с его окисной формой [1].

4.1 МЕТОДЫ ОТБОРА ПРОБ

Разнообразие путей образования трития в окружаю­ щей среде обусловливает довольно широкий спектр его химических соединений; поэтому в ряде случаев методы отбора проб, так же как и методы их последующей об­ работки, имеют специфический характер. Вместе с тем в отдельных случаях,- например, когда речь идет о про­ бах атмосферных осадков, поверхностных пли подзем­ ных вод, методы отбора не отличаются от обычно упот­ ребляемых. Необходимо только принимать меры предо-

213

сторожпостп прогни испарения отобранных проб воды, чтобы исключить изотопные эффекты, способные иска­ зить окончательные результаты измерений. В этой связи целесообразно ограничиться рассмотрением способов от­ бора проб трития из атмосферного воздуха.

Для отбора проб трития, находящегося в форме мо­ лекул водорода или различных углеводородов, наиболь­ шее применение находят способы, заключающиеся в от­ боре представительного и определенного объема атмо­ сферного воздуха. Конструктивно это можно осущест­ вить либо наполняя воздухом какую-либо эластичную оболочку, либо используя компрессор, нагнетающий воз­ дух в металлические баллоны под давлением обычно 10—20 атм. Большое преимущество таких методов за­ ключается в том, что они достаточно просты и мобильны. Причем можно установить соответствующую аппаратуру на автомашинах или самолетах, от чего зависит успех того или иного исследования. Вместе с тем последующая обработка отобранных проб в стационарных условиях позволяет проводить дифференцированное определение трития в различных химических формах. Недостаток та­ кого способа состоит в том, что результаты могут быть искажены вследствие диффузии тритиевого водорода че­ рез эластичную оболочку или в результате его сорбции на некоторых металлах. Для подавления этих эффектов в пробоотборные емкости предварительно вводят опре­ деленное количество носителя молекулярного трития — водорода, выход которого после всех операций позволяет ввести необходимую поправку на потери трития. Однако введение водорода приводит к разбавлению трития, что

улавливанием и измерением НТО. Подбирая соответст­ вующие режимы окисления (катализаторы, температу­ ра), здесь также можно получить дифференцированную информацию по содержанию трития в различных хими­ ческих формах в исследуемом воздухе. Одна из возмож­ ных схем такой пробоотборной системы приведена на рис. 4.1. Поступающий в систему профильтрованный воз­ дух вначале осушается (отделяется НТО), а затем по­ ступает в окислительный реактор, за которым распо­

214

ложены ловушки для НТО. При необходимости можно последовательно располагать окислительные реакторы для раздельного определения тритиевых органических соединений и тритиевого водорода с промежуточными ловушками НТО от каждой фракции.

Газовая хроматография или такие специфические ме­ тоды, как, например, диффузия трития через нагретую палладиевую мембрану, также могут с успехом исполь­ зоваться в стационарных условиях [2, 3].

углеводородов и свободного водорода:

10 — термометр; И — психрометр.

Селективный отбор атмосферной влаги, содержащей тритий, обычно основывается на двух основных прин­ ципах.

Первый из них заключается в вымораживании па­ ров НТО при пропускании потока воздуха через холо­ дильную камеру, в которой снижение температуры достигается либо за счет использования холодильного агрегата, либо за счет применения различных охлаждаю­ щих смесей. Недостаток, этого метода заключается в том, что продолжительность отбора ограничена, так как по мере нарастания толщины льда, имеющего низкую теп­ лопроводность, снижается выход конденсата.

Второй основан на адсорбции водяных паров при про­ пускании воздуха через осушитель. При этом можно применять как химические осушители (например, сили­ кагель, LiCl, СаС12 и т. д.), так и адсорбенты (напри­ мер, цеолит).

Для последующего перехода к концентрации паров НТО в исследуемом воздухе необходимо параллельно

215

—возможность производить отбор влаги в широком диапазоне ее концентраций в атмосферном воздухе;

—высокая эффективность пробоотбора;

—простой и надежный способ выделения отобранной

влаги при минимальном ее загрязнении посторонними примесями;

— отсутствие изотопных эффектов.

Указанным требованиям в наибольшей степени от­ вечает метод адсорбционного отбора атмосферной вла­ ги, причем наилучшим адсорбентом для водяных паров являются синтетические цеолиты.

Известно [5, 6], что синтетические цеолиты являются высокоэффективными алюмосиликатными адсорбентами, способными также к катионному обмену. Кристаллы це­ олита имеют пористую структуру (так называемая пер­ вичная пористая структура), образованную за счет про­ межутков внутри кристаллической решетки. В отличие от других адсорбентов первичная пористая структура является постоянной для каждого типа цеолита.

Цеолиты изготавливают в виде гранул, таблеток, ша­ риков и т. п., в которых кристаллы цеолита, имеющие размеры порядка 1 мкм, соединены связующим вещест­ вом. Промежутки между кристаллами и поры связую­ щих веществ образуют вторичную пористую структуру. В процессе адсорбции цеолитами основную роль играет первичная пористая структура.

Полярные молекулы воды диаметром 2,6 А энергич­ но адсорбируются синтетическими цеолитами, поэтому последние являются высокоэффективными осушителями. Равновесная адсорбционная емкость и динамическая ак­ тивность по водяным парам цеолита значительно выше, чем у силикагеля и алюмогеля, особенно при низких концентрациях влаги в атмосферном воздухе. Свойства цеолитов позволяют производить многократные (до 100—150) циклы адсорбция-регенерация без существен­ ного снижения своих адсорбционных параметров.

Свойства промышленных цеолитов приведены в табл. 4.1.

Цеолит марки КА является селективным адсорбен­ том водяных паров, однако он уступает цеолиту NaXno адсорбционной способности. Учитывая возможность очи­ стки воды от посторонних примесей при последующей обработке, в целях отбора проб водяных паров для опре­ деления в них концентрации трития, следует отдать

217

предпочтение цеолиту марки NaX, особенно когда необ­ ходимо отбирать пробы при низкой абсолютной влажно­

218

Автомобильный или самолетный вариант адсорбцион­ ного пробоотборника также не имеет принципиальных отличий. При отборе проб атмосферной влаги на боль­ ших высотах или при низких значениях абсолютной влажности необходимо обеспечивать тщательную гер­ метичность абсорбера с цеолитом на всех стадиях ра­ боты: зарядки и перезарядки абсорбера, хранения экс­

указывалось выше, входит узел определения абсолют­ ной влажности воздуха.

При отборе других проб внешней среды, таких, как, например, почва, растительность, биообъекты, основным требованием является обеспечение герметичности в пе­ риод доставки этих проб в лабораторию для их после­ дующей обработки.

4.2. 'ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРИТИЯ В ПОЧВАХ, ГРУНТАХ, СОРБЕНТАХ И BHOMAJEPHAnAX

таллов, органические соединения), так и в виде воды. Причем в зависимости от прочности связи тритиевой воды с грунтом методика ее выделения может быть различной. Гигроскопическая вода относительно слабо связана с грунтом и выделяется при нагревании до тем­ пературы 110—120° С. Кристаллизационная вода, вхо­ дящая в структуру минералов грунтов и пород, выде­ ляется при нагревании до температуры 400—800° С. Выделяющиеся при нагревании продукты разложения гидридов или органических соединений могут быть также окислены до воды подбором соответствующих режимов окисления (катализатор, температура).

Установка для дифференцированного определения трития в различных формах показана на рис. 4.4.

Методика выделения заключается в следующем. В кварцевый реактор 1 помещают исследуемую пробу массой 100'—200 г, предварительно измельченную до ча­ стиц с максимальным диаметром 2—5 мм, и нагревают в течение нескольких часов при фиксированной темпе­ ратуре ПО—120°С с пропусканием через систему . осу­ шенного воздуха. В приемнике 2 собирается конденсат гигроскопической влаги. Если предварительными опыта­

219

ми установлено, что тритии выделяется в форме водо­ рода или органических соединений, то последние допол­ нительно окисляются в трубчатой печи 8 и конденсат собирается в приемнике 4. После прекращения выделе­ ния гигроскопической воды температура поднимается до более высоких значений в интервале 400—800° С в зависимости от минералогического состава анализиру’е-

рается конденсат кристаллизационной воды, а в при­ емнике 4 собирается конденсат, соответствующий перво­ начальным неводным формам трития.

Полученные конденсаты после соответствующей очи­ стки поступают на измерения содержания трития.

При необходимости получения данных о валовом со­ держании трития в грунте все конденсаты объединяются. Исследования данной методики показали, что потери воды при ее отгонке и сборе конденсата не превышают 3 -6 % . '

В некоторых случаях природа анализируемого грунта такова, что необходимо вводить носитель — воду, не содержащую тритий. Это обычно требуется для грунтов с низкой влажностью или для малых навесок грунта. В этом случае разработаны специальные приемы введе­ ния носителя. Носитель на гигроскопическую влагу вво­ дится в виде точно отмеренного объема бидистиллята,

220