способ перевода йода-129 с сорбционного фильтроматериала в счетный образец

Формула изобретения

1. Способ перевода йода-129 с сорбционного фильтроматериала в счетный образец, включающий высокотемпературное извлечение йода из сорбционного фильтроматериала с его продувкой газом, концентрирование йода в охлаждаемой жидким азотом части газоводного пути, его фиксацию на сорбционном фильтроматериале и перевод в счетный образец, отличающийся тем, что в качестве сорбционного фильтроматериала для фиксации йода используют углеродную ткань с органическим наполнителем, которую газифицируют путем обеспечения процесса ее фронтального самосгорания в атмосфере избыточного кислорода, с полным разложением органического наполнителя, а избыточный кислород сжижают в охлаждаемой жидким азотом колбе, на внутреннюю поверхность которой предварительно намораживают тонкий слой спирта, в полученную криогенную жидкость переводят через газовод все продукты газификации и разложения вместе с йодом и, после полного сгорания ткани, испаряют в колбу дополнительную порцию спирта и далее постепенно снижают уровень жидкого азота до уровня криогенной жидкости в колбе, после чего прекращают охлаждение колбы жидким азотом и последовательно испаряют из нее криогенную жидкость и прочие летучие продукты газификации ткани, а в оставшийся спиртовой раствор вводят спиртовой раствор щелочи до рН 7 и выдерживают смесь до выпадения осадка, который отфильтровывают, а спирт из раствора испаряют до заданного объема и вводят в этот объем жидкостной сцинтиллятор и щелочной раствор, в полученном таким путем счетном образце измеряют активность йода-129 по известной схеме бета-икс совпадений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после завершения процесса газификации углеродной ткани внутреннюю поверхность газовода споласкивают спиртовым раствором щелочи и объединяют этот раствор со спиртовым раствором, оставшимся в колбе после испарения из нее криогенной жидкости и прочих фракций.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области исследования или анализа грунта особыми способами и предназначено для обеспечения эффективного процесса концентрирования йода, выделенного из большой массы грунта и сорбированного на углеродной ткани с органическим наполнителем.

Известен способ выделения и количественного определения йода в почве, заключающийся в том, что на первом этапе 1-5 г измельченной и высушенной почвы разогревают до Т=1000^oС в потоке кислорода и переводят выделенные из нее фракции в заданный объем, содержащий раствор для фиксации йода, путем барботирования. При этом органические вещества, выделенные из почвы, дожигают путем пропускания их через разогреваемое кварцевое волокно.

На втором этапе раствор с йодом разбавляют деионизированной водой и делят его на две части. В одну из частей добавляют в качестве носителя раствор йодита, а также концентрированную кислоту НNО₃ и раствор AgNO₃ для осаждения AgI и дают ей отстояться, после чего смесь центрифугируют, три раза смывают деионизированной водой и высушивают при Т=70^oС. Высушенный осадок перемешивают с серебряной пудрой. Полученную сухую смесь помещают в специальный объем и измеряют активность йода-129 путем использования ускорительного масс-спектрометра. Вторую часть раствора используют для определения полного количества йода (йод-129 плюс йод-127) с помощью газового хромотографа с электронной ловушкой [1].

Наиболее близким аналогом является способ определения малого содержания йода-129 в пробах внешней среды. При этом способе на первом этапе подготавливают пробу массой 100 г, вводят в нее метку йода-125, разогревают ее до Т= 1000^oС и продувают сухим кислородом. Выходящий газ пропускают последовательно через разогреваемое кварцевое волокно и колонку активированного древесного угля, который нагревают до Т=150^oС.

На втором этапе йод перегоняют на меньший слой активированного древесного угля путем прокаливания первой порции на малом аппарате. Далее эту малую порцию переносят в мензурку и добавляют щелочь для выщелачивания йода из активированного угля в ультразвуковом очистителе. Фильтрат окисляют азотной кислотой и вводят в сепаратную емкость, в которую добавляют ССl₄ и NaNO₂. Йод экстрагируют в фазу CCl₄ путем встряхивания, а затем реэкстрагируют в водный раствор SO₃, который кипятят для удаления избытка газа SO₂ и добавляют в него раствор PdCl₂ для осаждения PdI₂. Осадок отфильтровывают на стекловолокнистый фильтр, просушивают и переносят в кварцевую трубку, в которой его нагревают до 500^oС и разлагают. Выделившийся йод улавливают на U-образном участке трубки, охлаждаемом жидким азотом. При этом в течение всего процесса разложения осадка через трубку пропускают гелий. После завершения этого процесса йод перегоняют в ампулу, которую облучают в потоке тепловых нейтронов. Облученную ампулу раздавливают в водном растворе, содержащем: SO₃, стабильный йод, бром-носитель и ССl₄, для подавления подвижности облученного йода. Раствор фильтруют через стекловолокнистый фильтр и переносят в разделительную воронку, где его подкисляют азотной кислотой и добавляют NaNO₂. Йод экстрагируют в фазу CCl₄ и реэкстрагируют в водный раствор SO₃. Избыточный SO₂ удаляют из водного раствора SO₃ кипячением и добавляют в него AgNO₃ для получения конечного осадка AgI. Активность изотопов йода (в том числе и йода-129) измеряют на спектрометре с германий-литиевым детектором. Активность йода-125 измеряют на спектрометре с детектором низкоэнергетического излучения и по его выходу определяют выход йода-129 по сумме всех химических операций (около 70%) [2].

Основными недостатками способа [1] являются:

- снижение эффективности улавливания выделенного из грунта йода при барботировании газа-носителя через раствор, а также в результате осаждения йода на стенках газовода и его частичного улетучивания во время введения в раствор концентрированной кислоты при комнатной температуре;

- относительная сложность приготовления счетного образца и необходимость использования дорогой и сложной измерительной аппаратуры даже тогда, когда это не обусловлено настоятельной необходимостью, например при реализации высоких уровней выпадений йода-129.

Преимуществом ускорительного масс-спектрометрического метода является его высокая чувствительность, составляющая около 5,010^-8 Бк/пробу, что позволяет проводить исследования низкоуровневых выпадений йода-129.

Основными недостатками прототипа [2] являются:

- еще большая сложность приготовления счетного образца (по сравнению с [1] ) и необходимость использования ядерного реактора для получения измеряемого йода-130 из йода-129 даже тогда, когда это не обусловлено настоятельной необходимостью, например при реализации высоких уровней выпадений йода-129;

- относительно низкая результирующая эффективность перевода йода из грунта в счетный образец, когда потери йода только по сумме химических операций составляют около 30%.

К относительному преимуществу прототипа [2] можно отнести его достаточно высокую чувствительность, составляющую 4,010^-4 Бк/пробу.

Целью данного изобретения является реализация, по возможности, наиболее простого способа перевода фиксируемого на сорбционном фильтроматериале йода в счетный образец с обеспечением высокой эффективности этого процесса.

Использование в качестве сорбционного фильтроматериала углеродной ткани с органическим наполнителем обусловлено возможностью ее полной газификации в атмосфере кислорода с развитием высокой температуры, при которой происходит полное разложение органического наполнителя, обеспечивающего высокий коэффициент улавливания любых форм йода, извлеченного из большой массы грунта.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве сорбционного фильтроматериала для фиксации йода используют углеродную ткань с органическим наполнителем, которую газифицируют путем обеспечения процесса ее фронтального самосгорания в атмосфере избыточного кислорода, с полным разложением органического наполнителя, а избыточный кислород сжижают в охлаждаемой жидким азотом колбе, на внутреннюю поверхность которой предварительно намораживают тонкий слой спирта, в полученную криогенную жидкость переводят через газовод все продукты газификации и разложения вместе с йодом и после полного сгорания ткани испаряют в колбу дополнительную порцию спирта и далее постепенно снижают уровень жидкого азота до уровня криогенной жидкости в колбе, после чего прекращают охлаждение колбы жидким азотом и последовательно испаряют из нее криогенную жидкость и прочие летучие продукты газификации ткани, а в оставшийся спиртовой раствор вводят спиртовой раствор щелочи до pH 7 и выдерживают смесь до выпадения осадка, который отфильтровывают, а спирт из раствора испаряют до заданного объема и вводят в этот объем жидкостной сцинтиллятор и щелочной раствор, в полученном таким путем счетном образце измеряют активность йода-129 по известной схеме бета-икс совпадений.

Поставленная цель достигается также тем, что после завершения процесса газификации углеродной ткани внутреннюю поверхность газовода споласкивают спиртовым раствором щелочи и объединяют этот раствор со спиртовым раствором, оставшимся в колбе после испарения из нее криогенной жидкости и прочих фракций.

Способ реализуется следующим образом.

Углеродную ткань с органическим наполнителем помещают в поток кислорода и обеспечивают процесс ее фронтального самосгорания с полным разложением органического наполнителя. При этом процесс высокотемпературного горения ткани реализуется со стороны подачи кислорода, но разогретый кислород не проходит через все слои ткани, что исключает выход из нее неразложившегося органического вещества. Организация непрерывного фронтального самосгорания углеродной ткани позволяет, кроме того, избавиться от необходимости использования каких-либо нагревательных элементов как для разогрева обрабатываемого вещества, так и для дожигания органического вещества. Продукты горения вместе с йодом и избыточным кислородом через газовод направляют в охлаждаемую жидким азотом колбу, внутреннюю поверхность которой предварительно намораживают тонким слоем спирта. В колбе избыточный кислород сжижают и в полученную криогенную жидкость переводят все продукты горения и разложения. Естественно, что часть этих продуктов вместе с йодом будут осаждаться на внутренней поверхности газовода (до 30%) и на покрытой тонким слоем намороженного спирта внутренней поверхности колбы, не занятой криогенной жидкостью. После полного сгорания ткани в колбу испаряют порцию спирта, продолжая охлаждение колбы жидким азотом, уровень которого дискретно снижают относительно его первоначального уровня. Эти операции обеспечивают перевод сорбированных в верхней части колбы фракций, в том числе и йода, на ниже расположенные части внутренней поверхности колбы. После испарения порции спирта уровень жидкого азота постепенно снижают до уровня криогенной жидкости, обеспечивая практически полный перевод йода и прочих фракций, сорбированных на внутренней поверхности колбы, в криогенную жидкость. Далее прекращают охлаждение колбы жидким азотом и последовательно испаряют из нее криогенную жидкость и прочие летучие продукты газификации и разложения. Для перевода йода, зафиксированного на внутренней поверхности газовода, в раствор эту поверхность трижды споласкивают порциями спиртового раствора щелочи, каждую из которых объединяют со спиртовым раствором, оставшимся в колбе после испарения из нее криогенной жидкости и прочих фракций. В полученный спиртовой раствор дополнительно вводят спиртовой раствор щелочи до pH 7 и выдерживают смесь до выпадения осадка. Эта процедура необходима для нейтрализации кислой среды, обусловленной наличием в полученном растворе угольной кислоты, образующейся в процессе газификации углеродной ткани и органического наполнителя. При наличии в смеси кислой среды часть йода будет диффундировать из нее в атмосферу как в процессе испарения спирта до выпадения осадка, так и при дальнейших операциях. Эти операции характеризуются тем, что после выпадения осадка, не содержащего йод, осадок отфильтровывают, а спирт из содержащего йод спиртового раствора испаряют до заданного объема. В оставшийся раствор вводят жидкостной сцинтиллятор, создающий кислую среду, и дополнительно щелочной раствор для ее нейтрализации. Таким образом получают оптически прозрачный счетный образец, в котором активность йода-129 определяют путем использования измерений по известной схеме бета-икс совпадений.

Оптическая прозрачность раствора необходима для обеспечения эффективной регистрации световых квантов, образующихся при взаимодействии бета-частиц с веществом сцинтиллятора. Рентгеновское излучение (икс-излучение), образующееся (так же, как и бета-излучение) в результате распада йода-129, может регистрироваться или на тонком сцинтилляционном детекторе, или путем использования полупроводникового детектора рентгеновского излучения. Электрические сигналы с двух каналов регистрации подают на схему совпадений, что позволяет снизить интенсивность фоновых импульсов более чем в сто раз и принципиально позволяет проводить измерение активности йода-129 в счетном образце с чувствительностью, сравнимой с чувствительностью способа [2]. Так, например, уже сегодня, с устаревшей аппаратурой и в условиях отсутствия наиболее совершенной комбинированной пассивной защиты, полученное на практике значение чувствительности измерения йода-129 составляет 2,010^-3 Бк/пробу. Это всего в 5 раз уступает чувствительности способа [2]. Но возможность выделения, например, с помощью устройства [3] йода из относительно больших количеств грунта и его концентрирования путем использования предлагаемого способа расширяет возможности исследования уровней выпадения йода-129 без применения дорогостоящих нейтронно-активационного и масс-спектрометрического методов. Тем более, что указанное значение чувствительности 2,010^-3 Бк/пробу может быть улучшено, т.е. существенно снижено при использовании аппаратуры с низким уровнем собственных шумов и комбинированной пассивной защиты.

Однако изложенный в описании изобретения новый способ перевода йода из больших количеств грунта в счетный образец в случае необходимости может быть использован также при реализации как масс-спектрометрического, так и нейтронно-активационного методов анализа содержания йода-129 в пробах окружающей среды. В этом случае улучшается результирующая чувствительность исследований (например, уровней выпадений йод-129 на местности, реализованных в результате масштабной радиационной аварии типа аварии на Чернобыльской АЭС), зависящая: от чувствительности измерительной аппаратуры, от массы грунта, из которого выделяется йод, от эффективности выделения йода из грунта и от эффективности его перевода в счетный образец. Естественно, что при этом в раствор, полученный после проведения его фильтрования и испарения спирта до заданного объема, не вводится жидкостной сцинтиллятор. Вместо этого должен быть реализован необходимый объем дальнейших операций для обеспечения исследований с помощью нейтронно-активационного или масс-спектрометрического методов.

Преимуществом предложенного способа по сравнению и с прототипом [2], и с аналогом [1] является более высокая эффективность перевода йода в счетный образец (не менее 95% против 70% по способу [2]). Потери до 5% обусловлены в основном процедурой фильтрации раствора. Предложенный способ отличается также относительной простотой и соответственно дешевизной. Для его реализации необходимы минимальный набор используемых веществ (кислорода, жидкого азота, спирта, щелочи жидкостного сцинтиллятора и дистиллированной воды) и наличие устройства для перевода йода с углеродной ткани с наполнителем в заданный объем. Определение количества йода-129 в подготовленном описанным способом счетном образце может быть осуществлено, например, с помощью простой и относительно дешевой аппаратуры с реализацией широко известной схемы бета-икс совпадений.

Источники информации

1. Т. Straume, A.A. Marcheti, L.R. Anspaungh, V.Т. Khrouch, Yu.I. Gavrilin, S.M. Shinkarev, V.V. Drozdovitch, A.V. Ulanovsky, S.V. Korneev, M.K. Brekeshev, E.S. Leonov, G. Voigt, S.V. Panchenko, and V.F. Minenko. THE FEASIBILITY OF USING J-129 TO RECONSTRUCT J-131 DEPOSITION FROM THE CHERNOBYL REACTOR ACCIDENT. Health Physics, November 1996, Vjlume 71, Number 5, P. 03/09-P.09/09.

2. H. Katagiri, О. Narita, A. Ymato, M. Kinoshita. Low level measurements of J-129 in environmental samples. Journal of Radioanalytical and Nuclear, Articles, Vol.138, No.1 (1990)? 187-192.

3. Ю.И. Гаврилин. Устройство для выделения йода из грунта и его концентрирования в заданном объеме. Заявка 2001131584/28(033940). Приоритет от 26.11.2001.