Способ определения концентрации тория-234 в морской воде



Способ определения концентрации тория-234 в морской воде
Способ определения концентрации тория-234 в морской воде

 


Владельцы патента RU 2541449:

Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского (RU)

Изобретение касается области радиационной экологии и биогеохимии и предназначено для концентрирования Th из морской воды и определения его содержания, которое может быть использовано для измерения скорости седиментационных процессов в морских водоемах. Способ определения концентрации тория-234 в морской воде состоит в том, что концентрирование тория-234, растворенного в морской воде, выполняют в последовательно соединенных адсорберах, содержащих диоксид марганца, и осуществляют прямую радиометрию адсорбированного 234Th по его основному β-излучению. Каждый адсорбер работает в радиально точном режиме, который обеспечивают путем размещения дискового адсорбера между диафрагмами. Исследуемая проба воды поступает в центральную часть адсорбера с помощью диафрагмы с центральным отверстием, затем перетекает к периферии сорбирующей поверхности с помощью диафрагмы с периферийными прорезями.

 

Изобретение относится к области радиационной экологии и биогеохимии, предназначено для концентрирования 234Th из морской воды и определения его содержания, что может быть использовано для измерения скорости седиментационных процессов в морских водоемах.

Торий-234, образующийся при распаде урана-238, широко используется в качестве природного радиотрассера для измерения скорости седиментационных процессов в морской среде [1]. В отличие от 238U, он проявляет сорбционную реактивность и накапливается взвешенным веществом до высоких уровней. В результате этого, а также из-за больших различий периодов полураспада 238U (4.5 млрд. лет) и 234Th (24.1 сут.), гравитационный вынос биогенной и литогенной взвеси из верхнего слоя водной толщи вызывает заметное отклонение содержания тория-234 от равновесного с ураном-238. Это позволяет оценивать интенсивность седиментационного переноса различных элементов в морской среде [2-4].

В современной океанологии применяют два основных способа концентрирования 234Th из морской воды для последующего определения его содержания радиометрическими методами: проточную сорбцию и адсорбционное соосаждение с использованием, в обоих случаях, диоксида марганца в качестве высокоэффективного сорбирующего материала [5].

Метод соосаждения тория-234 диоксидом марганца основан на образовании тонкодисперсной взвеси микрокристаллов МnO2 непосредственно в обрабатываемой пробе морской воды за счет химической реакции между перманганатом калия и двухлористым марганцем, после чего взвесь вместе с адсорбированным на ней торием-234 отфильтровывается на мембранные фильтры, а полученные тонкослойные препараты подвергаются прямой радиометрии β-излучения 234Th [5]. Это позволяет определять содержание 234Th в сравнительно небольших объемах морской воды (20 и менее литров), что является основным преимуществом данного метода. Однако при соосаждении нет возможности прямого контроля эффективности извлечения тория в каждой пробе, что часто приводит к неудовлетворительной воспроизводимости полученных результатов [5]. Предложенные авторами методы такого контроля по атомно-адсорбционным измерениям количества диоксида марганца, остающегося в емкостях для соосаждения [6], или путем добавления в пробы трассеров радиохимического выхода, например, 229Th или 230Th [7], являются косвенными, либо требуют дополнительной радиохимической обработки полученных осадков и параллельного использования не только β-, но и α-детекторов (а иногда и масс-спектрометров) для определения активности этих трассеров [7].

Наиболее близким к заявляемому способу является метод проточной сорбции (см. Buesseler К.О., Cochran J.K., Bacon М.Р., Livingston H.D., Casso S.A., Hirschberg D., Hartman M.C., Fleer A.P. Determination of thorium isotopes in seawater by non-destructive and radiochemical procedures // Deep-Sea Research. - 1992. - Vol. 39, No. 7/8. - P. 1103-1114). Известный способ заключается в прокачке воды через два последовательно соединенных адсорбера, выполненных из волокнистого материала, импрегнированного микрокристаллами диоксида марганца. Активность адсорбированного 234Th определяют методом прямой радиометрии по его гамма-излучению без предварительного радиохимического извлечения из сорбирующего вещества, что является основным преимуществом данного метода, наряду с возможностью контроля эффективности сорбции тория по разнице его активности в первом и во втором адсорбере. Следует, однако, учитывать, что для тория-234 основным является не гамма-, а бета-излучение. Причем, выход γ-квантов 234Th с энергией 63.3 и 92.6 кэВ составляет всего 3.8 и 5.4%, соответственно. Это определяет необходимость обработки больших объемов морской воды (> 1000 л) для надежного детектирования тория-234 по его гамма-излучению, что значительно ограничивает производительность данного метода, поскольку отбор проб воды такого объема, особенно с больших глубин - достаточно трудоемкая операция, требующая использования специальных пробоотборников, включая автономные погружные насосы [2, 5]. При этом время, необходимое для обработки каждой пробы, может быть весьма значительным, поскольку скорость прокачки воды через адсорберы составляет обычно не более 3-5 л/мин [2]. Кроме того, для данного метода требуются достаточно большие адсорберы с эффективным объемом 500 и более см3 [2]. Такое количество сорбирующего вещества не может быть подвергнуто прямой радиометрии в большинстве современных γ-детекторов без его предварительной компактизации путем озоления либо прессования под большим давлением [2, 5].

В основу изобретения Способ определения концентрации тория-234 в морской воде поставлена задача путем усовершенствования технологии, повысить эффективность извлечения тория-234 и производительность способа.

Поставленная задача достигается тем, что концентрирование тория-234, растворенного в морской воде, выполняют в последовательно соединенных адсорберах, содержащих диоксид марганца и осуществляют прямую радиометрию адсорбированного 234Th по его основному β-излучению.

Для практической реализации такого подхода необходимо учитывать, что β-излучение обладает значительно меньшей проникающей способностью по сравнению с γ-квантами. В связи с этим, для прямого β-радиометрического определения содержания тория 234Th в адсорберах, их форма и размеры должны быть выбраны таким образом, чтобы минимизировать эффект самопоглощения β-частиц в толще сорбирующего материала и обеспечить, при этом, достаточно высокую эффективность сорбционного извлечения тория из морской воды. Для решения первой задачи наиболее приемлемыми являются адсорберы в виде тонкослойных дисков, что обеспечивает оптимальную геометрию счета β-частиц накопленного в них тория-234 с использованием газо-разрядных, газо-проточных и жидкостно-сцинтилляционных детекторов, наиболее часто применяемых в океанологической практике. Вместе с тем, дисковая форма адсорберов не является оптимальной для обеспечения высокой эффективности сорбции в проточном режиме из-за малого времени пребывания извлекаемого элемента в тонкослойном сорбирующем материале. Для устранения этого недостатка предлагается использовать дисковые адсорберы не в прямоточном, а в радиально точном режиме, при котором обрабатываемая проба поступает не на всю поверхность дискового адсорбера, а только в его центральную часть и затем протекает к периферии сорбирующего слоя, значительно увеличивая время контакта с ним растворенного тория. Конструктивно это достигается использованием входной и выходной диафрагм, первая из которых имеет отверстие в центральной части для подачи воды, а вторая - прорези по краям для слива обработанного фильтрата (фиг. 1).

Изобретение поясняется иллюстрациями. На фиг. 1 представлена Схема определения концентрации тория-234 (С, Бк/л) в морской воде; фиг. 2 - Установка для извлечения тория-234 из морской воды.

Для реализации способа авторы усовершенствовали дисковый адсорбер с целью осуществления сорбции в радиально точном режиме. Адсорбер содержит (см. фиг. 1) верхнюю часть корпуса 1, входную диафрагму с центральным отверстием 2, дисковый адсорбер 3, импрегнированный диоксидом марганца; выходную диафрагму 4 с прорезями по периферии, нижнюю часть корпуса 5. Белыми пунктирными стрелками показано направление радиального протока воды через дисковый адсорбер.

Пример реализации способа.

Пробы поверхностной воды из акватории Севастопольской бухты объемом 20 л отбирали в пластиковые емкости. Для извлечения тория-234 из морской воды применяли установку (см. фиг. 2), содержащую перистальтический насос, последовательно соединенные предфильтр 1 и адсорберы 2, 3. Стрелки указывают направление движения воды. На переднем плане: дисковый сорбент, импрегнированный МnО2 (в чашке слева) и полипропиленовая основа сорбента до импрегнирования (в чашке справа), используемая в качестве предфильтра. В нижней части вставки показан корпус адсорбера в разобранном виде. С помощью перистальтического насоса воду прокачивали через дисковый предфильтр для отделения взвешенной фракции тория, затем через два последовательно соединенных дисковых адсорбера, импрегнированных диоксидом марганца, предназначенных для концентрирования растворенного тория. Предфильтр и адсорберы имели одинаковый диаметр (25 мм) и толщину (3-4 мм), и были выполнены из прессованного полипропиленового волокнистого материала плотностью 0,33 гсм3. Номинальный размер пор данного материала составлял около 0.5 мкм. Для импрегнирования адсорберов диоксидом марганца их выдерживали в насыщенном растворе перманганата калия, предварительно добавив в него 25%-ный водный раствор аммиака в качестве щелочного буфера. Для лучшей пропитки волокнистого материала адсорберов, раствор нагревали до 30-40°С и выдерживали в течение 2-3 час. После этого добавляли концентрированный водный раствор двухлористого марганца из расчета: 1 объемная часть МnСl2 на 2 части КМnO4. При этом во всей толще полипропиленового диска происходило образование микрокристаллов диоксида марганца по реакции:

После приобретения дисками темно-коричневой окраски (цвет диоксида марганца), их промывали дистиллированной водой, выдерживали при комнатной температуре до капельно-сухого состояния и помещали в плексигласовые корпуса адсорберов, состоящие из двух конусообразных частей с резьбовым соединением (см. фиг. 1). Каждая часть корпуса обеспечена патрубками для подвода воды, либо отвода фильтрата. Герметичность резьбового соединения достигается уплотнительным кольцом, выполненным из химически стойкой резины. Во входной части корпуса закреплена диафрагма с центральным отверстием, а в выходной части корпуса - диафрагма с периферийными прорезями. Между этими диафрагмами помещается дисковый адсорбер.

После прокачки всего объема пробы, предфильтр и адсорберы извлекали из корпусов и переносили в 20-мл полиэтиленовые флаконы для жидкостно-сцинтилляционной спектрометрии. Во флаконы с адсорберами добавляли 1-2 мл 6М соляной кислоты и нагревали до 50-60°С. При таких условиях диоксид марганца полностью превращался в растворенный хлорид марганца, а торий десорбировался. Затем во флаконы добавляли 15 мл сцинтилляционной жидкости Optiphase-III (Великобритания) и проводили измерения содержания тория-234 с использованием жидкостно-сцинтилляционного анализатора QUANTULUS-1220 (LKB Wallac, Финляндия). Эффективность сорбции тория дисковыми адсорберами рассчитывали по формуле:

где RA и Rb - активность 234Th в первом и втором адсорберах (Бк). Исходную концентрацию тория-234 в морской воде (Бк/л) определяли по уравнению:

где V- объем пробы (л).

Апробация заявляемого Способа определения концентрации тория-234 в морской воде была выполнена в акватории Севастопольской бухты в разные сезоны 2009 г. Это дало возможность провести измерения 234Th при разном содержании взвешенного вещества, обусловленном сезонной динамикой развития фитопланктона и поступления терригенной взвеси с береговым стоком. Испытания показали, что при использовании дисковых адсорберов указанных размеров достигается достаточно высокая (>65 %) степень извлечения тория-234 из 20-ти литровых проб поверхностной воды Черного моря при его исходной концентрации от 1.6·10-3 до 2.2·10-2 Бк/л, т.е. во всем диапазоне величин содержания 234Th, известных для этого водоема.

Преимущества предлагаемого способа заключаются в том, что используя сравнительно небольшие объемы проб (около 20 л) можно контролировать эффективность извлечения тория-234 без использования дорогостоящих трассеров радиохимического выхода и дополнительной измерительной аппаратуры.

Источники информации:

1. U.S. GOFS. Sediment trap technology and sampling // U.S. Global Ocean Flux Study. Planning Report No. 10 of the Working Group on Sediment Trap Technology and Sampling / Eds. G. Knauer, V. Asper. - Woods Hole (USA): WHOI, 1989. - 94 p.

2. Buesseler K.O., Cochran J.K., Bacon M.P., Livingston H.D., Casso S.A., Hirschberg D., Hartman M.C., Fleer A.P. Determination of thorium isotopes in seawater by nondestructive and radiochemical procedures // Deep-Sea Research. - 1992. - Vol. 39, No. 7/8.-P. 1103-1114.

3. Gulin S.B. Seasonal changes of 234Th scavenging in surface water across the western Black Sea: an implication of the cyclonic circulation patterns // Journal of Environmental Radioactivity. - 2000. - Vol. 51, No. 3. - P. 7-19.

4. Waples J.T., Benitez-Nelson C, Savoye N., Rutgers van der Loeff M, Baskaran M, Gustafsson 0. An introduction to the application and future use of 234Th in aquatic systems // Marine Chemistry. - 2006. - Vol. 100. - P. 166-189.

5. Rutgers van der Loeff M., Sarin M.M., Baskaran M., Benitez-Nelson C, Buesseler K.O., Charette M., Dai M., Gustafsson O., Masque P., Morris P.J., Orlandini K., Rodriguez у Baena Α., Savoye N., Schmidt S., Turnewitsch R., V6ge I., Waples J.T. A review of present techniques and methodological advances in analyzing 234Th in aquatic systems // Marine Chemistry. - 2006. - Vol. 100. - P. 190-212.

6. Buesseler K.O., Benitez-Nelson С, Rutgers van der Loeff M, Andrews J., Ball L., Crossin G., Charette M.A. An intercomparison of small- and large-volume techniques for thorium-234 in seawater // Marine Chemistry. - 2001. - Vol. 74. - P. 15-28.

7. Pike S.M., Buesseler K.O., Andrews J., Savoye N. Quantification of Th-234 recovery in small volume seawater samples by inductively coupled plasma-mass spectrometry // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. - 2005. - Vol. 263 - P. 355-360.

Способ определения концентрации тория-234 в морской воде, включающий прокачивание исследуемой пробы воды через два последовательно соединенные дисковые адсорберы, импрегнированные диоксидом марганца, а также контроль эффективности извлечения тория-234, отличающийся тем, что осуществляют радиометрическое определение содержания тория-234 по его основному ß-излучению в адсорберах, причем каждый адсорбер работает в радиально точном режиме, который обеспечивают путем размещения дискового адсорбера между диафрагмами с прорезями, а исследуемая проба воды поступает в центральную часть адсорбера с помощью диафрагмы с центральным отверстием, затем ее подают к периферии сорбирующего слоя с помощью диафрагмы с периферийными прорезями.



 

Похожие патенты:
Заявленное изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при утилизации, захоронении и рефабрикации облученных изделий из бериллия, таких как, например, отражатель нейтронов ядерных и термоядерных реакторов.

Изобретение относится к атомной промышленности, а именно к устройствам для струйного растворения и размыва осадка, скопившегося на дне емкостей-хранилищ радиоактивных отходов любого уровня активности, перевода нерастворимой твердой фазы осадка во взвешенное состояние и выдачи раствора и суспензии из емкости.

Изобретение относится к атомной промышленности в части переработки радиоактивных отходов, а именно к устройствам для более полного освобождения емкостей-хранилищ от радиоактивных осадков, и может найти применение в химической, нефтехимической и других отраслях.

Заявленное изобретение относится к способам обработки радиоактивных отходов, а именно к очистке платины в виде лома технологического оборудования, и может быть использовано для очистки вторичной платины от радиоактивного заражения плутонием.

Изобретение относится к области атомной промышленности и может быть использовано для дезактивации внутренних и наружных поверхностей оборудования. В заявленном изобретении дезактивируемое оборудование помещают в дезактивирующий раствор и воздействуют на него ультразвуковыми колебаниями, при этом колебания возбуждают во всем объеме оборудования путем обеспечения жесткого акустического контакта поверхности оборудования с акустическими ультразвуковыми излучателями, причем колебания возбуждают в виде импульсов с частотой заполнения, соответствующей резонансной частоте нагруженных на оборудование излучателей.

Группа изобретений относится к методам захоронения долгоживущих радионуклидов, в том числе изотопов трансурановых элементов. Заявленный способ включает погружение, по меньшей мере, одной тепловыделяющей капсулы в скважину, образованную в геологических формациях.

Изобретение относится к области дезактивации твердых радиоактивных отходов, переработки жидких радиоактивных отходов и фиксации радиоактивных элементов в устойчивой твердой среде.

Изобретение относится к ядерной технике и технологии, к дезактивации различных материалов, загрязненных радионуклидами. В заявленном способе дезактивацию проводят в две стадии: на первой стадии в разогретую до 110°C камеру дезактивации с загрязненными материалами подают пар, активированный химическими реагентами, на второй стадии охлаждают камеру дезактивации и проводят обработку дезактивируемого материала растворами органических растворителей и комплексообразователей в среде сжиженных газов или низкокипящих растворителей.
Изобретение относится к области переработки отходов радиохимической промышленности и, в частности, к способам утилизации фильтрующих материалов. .

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к выводу из эксплуатации выработавших свой ресурс объектов использования атомной энергии и захоронения твердых и отвержденных радиоактивных отходов.

Заявленное изобретение относится к системе для очистки потока отходов, преимущественно жидких или водных радиоактивных отходов, для их безопасной утилизации и превращения их в одну или две формы, включая водную форму для безопасного сброса в окружающую среду и отверждаемую форму для безопасной утилизации.

Изобретение относится к области переработки радиоактивных растворов. Состав экстракционно-хроматографического материала для селективного выделения U(VI), Th(IV), Np(IV) и Pu(IV) из азотнокислых растворов содержит три компонента.

Изобретение относится к области радиоаналитической химии и может быть использовано для контроля содержания радионуклидов в пресной и морской воде, в моче людей, пострадавших от радиационных инцидентов и в пробах различных технологических растворов.
Изобретение относится к технологии сорбционного извлечения радионуклидов цезия из водных растворов. Способ извлечения радионуклидов цезия включает фильтрацию водного раствора через селективный сорбент, представляющий собой ферроцианид железа-калия на носителе, десорбцию цезия из сорбента щелочным раствором, содержащим Трилон Б и оксалат калия.

Изобретение относится к сорбентам, полученным на основе микросфер зол-уноса тепловых электростанций, и может быть использовано для очистки жидких отходов от радионуклидов.
Изобретение относится к области аналитической радиохимии и обеспечения безопасности эксплуатации ядерных энергетических установок (ЯЭУ). Контроль содержания урана в технологических средах ЯЭУ осуществляют следующим образом: отбирают пробу технологической среды, подщелачивают ее до рН 9-11 добавлением аммиака, фильтруют через ацетатцеллюлозную мембрану со свежеосажденной двуокисью марганца, растворяют мембрану с двуокисью марганца в соляной кислоте при кипении, восстанавлливают уран аскорбиновой кислотой и металлическим цинком до степени окисления IV, а затем определяют содержание урана в растворе фотометрическим методом с использованием арсеназо III в солянокислой среде.
Изобретение относится к удалению радионуклидов стронция, рубидия, цезия, урана и некоторых токсичных ионов металлов из водных потоков. Радионуклиды и токсичные ионы металлов удаляют из воды сорбентами, в качестве которых используется крошка опок диаметром от 20 до 50 мм.

Изобретение относится к способу дезактивации жидких радиоактивных отходов. Способ дезактивации жидких отходов, содержащих один или несколько предназначенных для удаления радиоактивных химических элементов, содержащий следующие стадии: - стадию введения в контакт в первом реакторе жидких отходов с твердыми частицами; - стадию отстаивания суспензии во втором реакторе, в результате чего получают твердую фазу и жидкую фазу; - стадию разделения указанной твердой фазы и указанной жидкой фазы, часть указанной твердой фазы, полученной после стадии отстаивания, повторно направляют в первый реактор для осуществления стадии введения в контакт.
Изобретение относится к технологии обращения с жидкими радиоактивными отходами (ЖРО) атомных электростанций (АЭС) и может быть использовано в процессе переработки трапных вод и кубового остатка ЖРО АЭС для удаления радионуклида 60Со с концентрированием его в твердой фазе.

Изобретение относится к средствам морской радиоэкологии и биогеохимии. Способ определения концентрации тория-234 в морских донных отложениях состоит в том, что в качестве трассера радиохимического выхода используют естественный долгоживущий α-излучающий изотоп 232Th, исходную активность которого определяют в части пробы по γ-излучению свинца-212 при соблюдении условия радиоактивного равновесия между Th и Pb, а другую часть пробы, отделив торий от сопутствующих элементов методом оксалатного осаждения, используют для жидкостно-сцинтилляционного (ЖС) спектрометрического анализа активности 234Th и 232Th по и β- и α-излучению, после чего рассчитывают радиохимический выход тория (R) и исходную концентрацию тория-234 (234Thисх, Бк/кг) по приведенным формулам. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и надежности определения содержания 234Th.
Наверх