一種環境水中碳-14的測量方法
2023-06-15 04:34:56
一種環境水中碳-14的測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種環境水中碳-14的測量方法，包括無機碳驅氣制樣、有機碳制樣和液閃測量步驟，所述有機碳制樣包括有機碳溼法氧化、高溫催化氧化、二氧化碳捕集與轉化；其特徵在於：有機碳溼法氧化採用多元催化氧化劑體系進行催化氧化，多元催化氧化劑體系由S2O82-/H2O2和Fe2+/TiO2構成；高溫催化氧化採用管式爐催化氧化。本發明通過分步、分氣路收集，可分別測量環境水體中無機碳-14活度濃度、有機碳-14活度濃度和總碳-14活度濃度；使用多元催化氧化體系，高效、穩定地轉化、捕集樣品中各種有機形態的碳-14，具備大容量樣品處理容量，具有足夠低的探測下限水平。
【專利說明】一種環境水中碳-14的測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種環境水體的檢測方法，具體涉及一種對環境水體中的碳-14含量進行測量的方法。
【背景技術】
[0002]碳-14是核動力廠排放到環境中最主要的核素之一，通過氣態流出物和液態放射性流出物向環境釋放。釋入環境後的碳-14極易參與碳循環，並進入生物體內，最終可能被人體吸收，對人體造成輻射影響。碳-14半衰期很長，達到5730年，其衰變時放出β射線能量最大為156keV。由於其在環境中具有高遷移率的特性以及其長的半衰期，碳-14被認為是對人體造成輻射劑量負擔的最主要核素之一(人體中碳-14含量?3500Bq)。國家強制性標準《核動力廠環境輻射防護規定》(GB 6249-2011)規定，所有核動力廠必須開展液態流出物中碳-14的監測。對於通過液態放射性流出物排放到環境水體以及通過氣態流出排放進入環境水體中的碳-14，亦應加強監測，以確認廠址周圍環境水中碳-14的濃度水平，評估核動力廠放射性物質排放對公眾可能造成的輻射影響。
[0003]現有技術中，一般採用驅氣法捕集無機形態的碳-14進行測量。但是，以壓水堆為堆型的主流核動力廠，其液態流出物排放的碳-14主要以有機形態存在，同時環境水中有機形態的碳-14亦可能佔有相當的份額，因此在開展環境水中和液態放射性流出物中的碳-14監測時，不僅要檢測無機形態的碳-14，還要檢測有機形態的碳-14。
[0004]目前，對如何檢測有機形態的碳-14未見報導，對於常規的有機碳的測定，通常採用高溫燃燒法，樣品在較高的溫度下催化燃燒，產生二氧化碳，由非色散紅外檢測器測出二氧化碳的含量。
[0005]由於環境水體中，碳-14的含量較低，難以採用高溫燃燒法測量。另一種可考慮的方法是，採用紫外照射/過硫酸鹽氧化樣品，這種方法需要提供紫外光照射，設備複雜，同時，該測量方法的設備通常只能用於少量樣品的測量(毫升級)，由於環境水體中碳-14含量低，為提高測量的準確性，需要採用大容量樣品方式測量，樣品量為數升至數十升之間，現有技術無法完成上述測量。
【發明內容】
[0006]本發明的發明目的是提供一種環境水中碳-14的測量方法，實現對水中無機形態碳-14和有機形態碳-14的分類收集，以準確、穩定、高效地檢測兩種形態的碳-14的含量。
[0007]為實現上述發明目的，本發明採用的技術方案是:
一種基於溼法氧化的環境水中碳-14測量方法，包括無機碳驅氣制樣、有機碳制樣和液閃測量步驟，所述有機碳制樣包括有機碳溼法氧化、高溫催化氧化、二氧化碳捕集與轉化；所述有機碳溼法氧化採用多元催化氧化劑體系進行催化氧化，所述多元催化氧化劑體系由 S2O82YH2O2 和 Fe2+/Ti02 構成，S2O82' H2O2, Fe2+、TiO2 的摩爾比為:(15 ?20): (24 ?30): (0.5?2):(I?2)，反應溫度為90?98°C，反應時pH值為0.9?1.1 ;所述高溫催化氧化採用管式爐催化氧化驅氣和溼法氧化過程中產生的易揮發性物質，使之轉化為二氧化碳，催化劑為氧化銅，反應溫度為90?98°C。
[0008]上述技術方案中，所述的環境水包括雨水、地表水、飲用水和地下水等，所述高溫催化氧化可以採用微型催化氧化管式爐催化氧化驅氣和溼法氧化過程中產生的易揮發性物質，使之徹底轉化為二氧化碳，進一步提高回收效率；所述二氧化碳捕集與轉化可通過調節閥分別捕集無機形態的碳-14和有機形態的碳-14,並通過Carb-Sorb吸收裝置進行轉化，製成適於液閃測量的樣品。
[0009]上述技術方案中，所述無機碳驅氣制樣時，在酸性、40°C條件下通過氮氣驅氣，採用磁力攪拌器進行攪拌；反應溫度為90?98°C。可以高效、穩定地將水體中溶解性無機碳有效的提取和收集，回收效率達95%以上。
[0010]上述技術方案中，所述液閃測量時採用胺類吸收法進行碳-14活度的測量。例如，採用Carb-Sorb吸收法進行液閃測量，易於樣品處理，可以明顯地提高測量效率。
[0011]進一步的技術方案，採用分步法、分氣路收集，分別測量環境水體中無機碳-14活度濃度、有機碳-14活度濃度，最後獲得總碳-14活度濃度。
[0012]由於上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點:
1、本發明具備大容量樣品處理能力，具有足夠低的探測下限水平(0.1mBq/L)，適於各種環境水中碳-14的監測，同時也適於核設施較高碳-14活度濃度水平的液態放射性流出物監測。
[0013]2、本發明通過高純氮氣驅氣，在酸性條件下將無機碳排出，採用鹼液吸收瓶進行二氧化碳的吸收，可以高效、穩定地將水體中溶解性無機碳有效的提取和收集，回收效率達95%以上；
3、採用多元催化氧化劑體系(S20827H202-Fe27Ti02)，在高溫酸性條件下將溶解的有機碳氧化成二氧化碳，通過高純氮氣驅氣，同時採用磁力攪拌器攪拌均勻，採用鹼液吸收瓶進行二氧化碳的收集，回收效率95%以上；
4、採用微型催化氧化管式爐催化氧化驅氣和溼法氧化過程中產生的易揮發性物質，使之徹底轉化為二氧化碳，進一步提高回收效率；
5、採用分步法，可以通過調節閥分別捕集無機形態的碳-14和有機形態的碳-14，從而分別獲得兩種形態的碳-14測量數據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明實施例的系統示意圖；
圖2是實施例中無機碳溶度時間變化圖；
圖3是實施例中有機碳濃度時間變化圖。
[0015]其中:1、高純氮氣瓶；2、氣體流量計；3、磁力攪拌裝置；4、大容量樣品瓶；5、磁子；6、冷凝管；7、恆壓漏鬥；8、洗氣瓶；9、三通閥；10、吸收瓶；11、微型高溫催化氧化爐。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖及實施例對本發明方法作進一步描述:
實施例:參見圖1所示，一種基於溼法氧化的環境水中碳-14測量裝置，包括高純氮氣瓶1、氣體流量計2、磁力攪拌裝置3、大容量樣品瓶4 (25L)、磁子5、冷凝管6、恆壓漏鬥7、洗氣瓶8、三通閥9、吸收瓶10、微型高溫催化氧化爐11。
[0017]具體的,所述流量計2量程為0.15L/min~1.5L/min的氣體流量計,磁力攪拌裝置3為可加熱溫度至200°C、磁子5轉速高達2000r/min、大容量樣品瓶4容量25L、恆壓漏鬥7體積為IOOmU洗氣瓶8體積為200ml (75mL 5%的硫酸)、吸收瓶10體積為200ml (75mL2mol/L的氫氧化鈉溶液)、微型高溫催化氧化爐11最高溫度110(TC (配一石英工作管，管內裝入催化劑)。
[0018]具體實施流程為:將20L環境水樣加入反應瓶中，加入硫酸酸化水樣，通入高純氮氣驅氣，加熱提高反應速度，磁力攪拌均一化樣品，收集無機形態的碳-14;隨後在樣品中加入多元催化劑，在高溫下將有機形態的碳-14氧化成二氧化碳，經高純氮氣載帶出來，被鹼收集阱吸收。取出吸收瓶中鹼液，採用Carb-Sorb吸收法捕集鹼液中有機形態存在的碳-14，與閃爍液充分混合後在超低本底液閃譜儀上測量，測試數據如下:
一、有機碳氧化條件確定，詳見表1。
[0019]表1正交實驗結果處理數據
【權利要求】
1.一種環境水中碳-14的測量方法，包括無機碳驅氣制樣、有機碳制樣和液閃測量步驟，所述有機碳制樣包括有機碳溼法氧化、高溫催化氧化、二氧化碳捕集與轉化；其特徵在於:所述有機碳溼法氧化採用多元催化氧化劑體系進行催化氧化，所述多元催化氧化劑體系由 S2O82VH2O2 和 Fe2VTiO2 構成，S2O82'H202、Fe2+、TiO2 的摩爾比為(15 ?20): (24 ?30):(0.5?2): (I?2)，反應溫度為90?98°C，反應時pH值為0.95?1.05 ;所述高溫催化氧化採用管式爐催化氧化驅氣和溼法氧化過程中產生的易揮發性物質，使之轉化為二氧化碳，催化劑為氧化銅，反應溫度為90?98°C。
2.根據權利要求1所述的環境水中碳-14的測量方法，其特徵在於:所述無機碳驅氣制樣時，在酸性條件下通入氮氣驅氣，加熱至90?98°C並採用磁力攪拌器進行攪拌。
3.根據權利要求2所述的環境水中碳-14的測量方法，其特徵在於:通入氮氣驅氣時的溫度為40°C。
4.根據權利要求1所述的環境水中碳-14的測量方法，其特徵在於:所述液閃測量時採用胺類吸收法進行碳-14活度的測量。
5.根據權利要求1所述的環境水中碳-14的測量方法，其特徵在於:採用分步法、分氣路收集，分別測量環境水體中無機碳-14活度濃度、有機碳-14活度濃度，最後獲得總碳-14活度濃度。
【文檔編號】G01T1/167GK103869353SQ201410097803
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月17日 優先權日:2014年3月17日
【發明者】黃彥君, 郭貴銀, 陳超峰, 吳連生, 張海英, 欽紅娟, 張兵 申請人:蘇州熱工研究院有限公司, 中國廣東核電集團有限公司