СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 2014 года по МПК G21F9/12 

Изобретение относится к 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.

Испытания ядерного оружия, многочисленные радиационные инциденты и, особенно, аварии на Чернобыльской АЭС и на АЭС Фукусима-1 привели к глобальному загрязнению почвы и природных вод искусственными радионуклидами. Для выявления источников радиационного загрязнения природных вод, контроля содержания изотопов в некоторых технологических растворах, определения количества радионуклидов в организмах людей, подвергнувшихся радиационному воздействию, и для радиационного мониторинга окружающей среды, необходимы методы анализа водных растворов, включающие извлечение радионуклидов, подготовку концентрата и гамма-спектрометрическое измерение количества радионуклидов в концентрате. Методика определения радионуклидов в водных растворах должна иметь высокую чувствительность (до 0,01 Бк/л), низкую стоимость и возможность применения в крупномасштабных массовых исследованиях. Для извлечения радионуклидов из водных растворов применяются различные виды селективных сорбентов, но их массовому использованию мешают сложности с подготовкой сорбентов для концентрирования и загрузкой в колонки (для гранулированных форм), сложное аппаратурное оформление для мембранных форм сорбентов и т.п. Для массового использования сорбенты должны заранее находиться в устройствах, готовых к непосредственному применению, таких, например, как системы, предназначенные для переливания инфузивных растворов.

Если в заводских условиях организовать серийное производство систем, содержащих селективные сорбенты, то использование таких систем для извлечения радионуклидов из водных растворов будет экспрессным, простым, дешевым и доступным для массового мониторинга.

Известен способ извлечения радионуклидов из растворов, включающий прокачку раствора через селективный сорбент, помещенный в установку "Мидия", разработанную в НПО "Тайфун" (Методика контроля радиоактивного загрязнения водных объектов" МВИ. 01-7/96).

Установка сложна в эксплуатации, имеет высокую цену и требует много времени для подготовки к рабочему режиму.

Известен способ извлечения радионуклидов из растворов, используемый в "Методике выполнения измерений удельной активности радионуклидов цезия в растворах" (МВИ №253.13.17.245/2005).

Способ заключается в фильтрации раствора через сорбционную установку, содержащую селективный сорбент. Установка сложна в изготовлении и требует большого количества времени при подготовке к работе.

Известен способ извлечения радионуклидов из водных растворов, включающий прокачку раствора под давлением через мембраны, содержащие селективные сорбенты (Rapid Sampling Using 3M Membrane Technology. Innovative Technology Summary Report, DOE/EM-0501, prepared for U.S. Department of Energy. January 2000). Осуществление метода требует использования специального оборудования, а применяемые мембраны очень дороги (от 30$ за штуку, см. табл.8).

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности, назначению и достигаемому результату является известный способ извлечения радиоактивного цезия из мочи селективным сорбентом гексацианоферратом меди (II), который нанесен на хлопковые фильтры диаметром 9-14 см (L. Johasson. С.Samuelsson. E. Holm. Адсорбция цезия из мочи гексацианоферратом меди (II) - комплект для крупномасштабного контроля загрязнения in situ. /Radiation Protecting Dosimetry. Vol.81, No. 2, pp.147-152. Nuclear Technology Publishing, 1999), выбранный в качестве прототипа.

Основным недостатком данного способа является то, что селективный сорбент гексацианоферрат меди (II) используют, пропитывая им хлопковые фильтры большого диаметра от 9 до 14 см. Хлопок удерживает большое количество раствора, который, поглощая измеряемое гамма-излучение цезия-137, увеличивает погрешность определения. Кроме того, измерение активности фильтров диаметром 9 см, а тем более 14 см, при диаметре стандартного детектора 7 см неэффективно и приводит к значительному искажению полученных результатов. Поскольку селективный сорбент используют в виде плоского образца небольшой толщины, то время контакта раствора с сорбентом небольшое и для достижения высокой степени извлечения радионуклидов требуется увеличение размера поверхности фильтра, а это мешает эффективному гамма-спектрометрированию полученного концентрата. Низкая концентрация сорбента в фильтрах - 5 мг/см² не позволяет использовать прототип для эффективного извлечения радионуклидов из проб растворов объемом 20-50 л, что резко сужает область применения способа для задач экологического мониторинга.

Целью заявляемого изобретения является создание недорогого способа извлечения радионуклидов из водных растворов, обладающего высокой эффективностью, экспрессностью, удобного для массового применения и позволяющего получить концентрат радионуклидов, удобный для гамма-спектрометрического измерения.

Поставленная цель достигается тем, что селективный сорбент, используемый для извлечения радионуклидов из водных растворов, помещают в капельную камеру устройства, предназначенного для внутривенного переливания инфузионных растворов, и применяют полученную сорбционную систему для быстрого, эффективного извлечения радионуклидов из водных растворов. На Фото 1 представлена «Система инфузионная SFM®», производства фирмы СФМ Госпиталь Продактс Гмбх, Германия. Аналогичные системы производятся сотнями компаний различных стран в количестве более чем 300 млн штук в год при средней оптовой цене продажи 15-20 евроцентов за единицу.

Основные элементы системы - трубки, подающие раствор, регулятор скорости подачи раствора и прозрачная капельная камера, объемом около 10 см³. Капельная камера снабжена внутренним нейлоновым дисковым микрофильтром с диаметром ячейки 15 мкм, что позволяет при высокой скорости фильтрации раствора улавливать мельчайшие частицы сорбента. В верхней части капельной камеры расположен водонепроницаемый мембранный воздушный клапан для очистки воздуха, поступающего в емкость с раствором (если раствор находится в герметичной емкости и необходимо создание атмосферного давления для вытекания раствора).

Объем капельной камеры позволяет помещать в нее до 15 г сорбента, что достаточно для извлечения радионуклидов из пробы воды до 50 л. Площадь сечения капельной камеры (около 2 см²) обеспечивает скорость фильтрации раствора до 2 л в минуту при размере гранул сорбента более 150 мкм (см. Фото 2).

После полного прохождения раствора через капельную камеру с сорбентом, для удаления раствора, оставшегося между гранулами сорбента и мешающего точному гамма-спектрометрическому измерению концентрата, шприцем через воздушный клапан камеры вводят 10-20 см³ воздуха, предварительно надев на пластмассовую иглу, соединенную с верхней частью камеры, герметичный защитный колпачок. Затем, для герметизации камеры с полученным концентратом радионуклидов, трубку, выходящую из камеры, обрезают, оставив 7-10 см, и закрепляют оставшуюся ее часть на корпусе камеры, используя скотч, резинку и т.п. материалы, как показано на Фото 3.

Ниже приведен пример осуществления заявляемого способа.

Пример 1

Извлечение цезия-137 из морской воды для радиоэкологического мониторинга природной среды.

Через инфузионную систему, в капельную камеру которой поместили 10 г гранулированного ферроцианида железа, профильтровали 50 л морской воды из бухты Золотой Рог, г. Владивосток, содержащей 417 Бк/л цезия-13 7 (добавленного из эталонного раствора). Время фильтрации - 25 минут. Через воздушный клапан капельной камеры воздухом (используя шприц) удалили остатки воды из сорбента и приготовили (как показано на Фото 3) концентрат радионуклидов для гамма-спектрометрического измерения. Общее время извлечения радионуклидов цезия из пробы 50 л морской воды и приготовления препарата для измерения не более 30 минут. Размер и геометрия полученного препарата удобны для его измерения внутри колодца детектора, что значительно повышает эффективность и снижает время измерения, по сравнению с измерениями препарата на поверхности детектора (Сапожников Ю.А. «Радиоактивность окружающей среды» - М., 2006 г, стр.183, рис.11.7). Степень извлечения цезия-137 из пробы морской воды - 99,81±0,22%.

Используя способ-прототип, невозможно извлечь из 50 л морской воды весь цезий, т.к. содержание сорбирующего вещества ферроцианида меди в прототипе не может быть больше 1,5 г (максимальная площадь фильтров 300 см, максимальное содержание 5 мг ферроцианида на 1 см²), а этого количества селективного сорбента достаточно для извлечения цезия из пробы воды не более 7 л. Но для радиоэкологического мониторинга анализируемая проба морской (или пресной) воды должна быть не менее 50 л, поскольку фоновые определяемые концентрации цезия-137 находятся на уровне 0,01 Бк/л, и полученный из такой воды концентрат цезия-137 требует длительного и эффективного гамма-спектрометрирования (Сапожников Ю.А. «Радиоактивность окружающей среды» - М., 2006 г., стр.148, табл.9.2).

Пример 2

Извлечение цезия-137 из мочи людей, пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС, с целью оценки внутреннего загрязнения населения.

Были представлены 15 проб мочи (по 2 л), взятых из накопленного суточного объема мочи у добровольцев, проживающих в Новозыбковском районе Брянской области, пострадавшем от выбросов после аварии на Чернобыльской АЭС.

По трубке инфузионной системы, в капельную камеру которой помещено 10 г ферроцианида железа, из 3-х литровой емкости, содержащей 2 л анализируемой пробы, подавали раствор при производительности извлечения 2 л за 4 мин. Одновременно проводили извлечения цезия из 5 проб, поскольку емкости с анализируемыми пробами устанавливали на штативах и подключали к ним сорбционные системы, которые без участия лаборанта профильтровали раствор через сорбент и сливали очищенный от цезия раствор в канализацию. После завершения фильтрации, воздухом удаляли оставшуюся в капельной камере жидкость и готовили препарат для измерения как и в примере 1. Гамма-спектрометрированием полученных препаратов, осуществленным внутри колодца стандартного детектора, показано, что содержание цезия-137 в исследованных пробах находится в пределах от 5,14 до 35,12 Бк/л.

Использование прототипа - воронки с тканевыми фильтрами, пропитанными ферроцианидом меди, для извлечения цезия из 2-х литровых проб мочи, показало следующие недостатки способа-прототипа:

- необходимо постоянно подливать раствор (объем воронки 400 мл, а объем пробы 2 л) и следить за его уровнем, т.к. возможно переполнение воронки и разбрызгивание раствора;

- после фильтрации раствора необходимо высушить тканевые и бумажные фильтры, т.к. оставшаяся жидкость мешает хранению и измерению препарата;

- размеры и геометрия фильтров не удобны для измерения, т.к. они не помещаются в колодце детектора и свисают при измерении на его поверхности (диаметр детектора 7 см, а диаметр фильтров 14 см или 9 см).

Пример 3

Извлечение радионуклидов йода из водопроводной воды.

Авария на АЭС Фукусима показала, что в результате разгерметизации ядерного реактора в атмосферу, а затем и в водопроводную воду могут поступать радионуклиды йода (г.Токио, апрель 2011 г), количество которых необходимо контролировать.

В пробу водопроводной воды объемом 100 л ввели отметчик йод-131 в количестве 571 Бк/л и профильтровали ее через инфузионную систему, в капельную камеру которой помещено 10 см³ угольного порошка, покрытого серебром (5% от массы угля).

После пропускания раствора, как в примере 1, подготовили препарат для гамма-спектрометрирования. Степень извлечения йода-131 составила 98,7±1,1%.

Пример 4

Извлечение серебра-110 из морской воды

В марте 2012 г. японские исследователи сообщили, что обнаружили в 400 милях от Фукусимы в морской воде изотопы серебра-110, что является следствием разрушения активной зоны ядерного реактора.

Для оценки эффективности заявляемого способа в 50 л морской воды ввели 8420 Бк серебра-110^m (168 Бк/л) и профильтровали пробу через инфузионную систему, в капельную камеру которой загрузили 10 г гранулированного сульфида цинка. Время фильтрации раствора - 100 минут. Подготовку препарата серебра-110^m для гамма-спектрофотометрирования проводили, как указано в примере 1. Степень извлечения серебра-110^m составила 98,4±1,8%.

Как видно из приведенных примеров, заявляемый способ извлечения радионуклидов из водных растворов является недорогим, эффективным, легко осуществляемым и не требует дополнительного оборудования. Стоимость элементов инфузионной системы, необходимых для осуществления способа, в ценах 2012 года не превышает 20 евроцентов. Стоимость 10 г сорбента, помещаемого в капельную камеру, не превышает (например, для ферроцианидов) 1-2 евро, т.е. получение концентрата радионуклидов из 1-50 литровых проб растворов, готовых к гамма-спектрометрическому измерению, не будет превышать 2-3 евро.

Применение инфузионных систем с капельными камерами объемом 50-70 см³ позволяет извлекать радионуклиды из проб объемом 250-300 л.

Имея запасы сорбционных систем, заряженных сорбентами, селективными к радионуклидам, поступающим в природную среду при радиационных инцидентах, можно масштабно, быстро и эффективно, при минимальных затратах организовать контроль за их распространением в пресных и морских водах, в моче людей и в различных технологических растворах, образующихся при ликвидации последствий радиационных аварий.

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. Способ извлечения радионуклидов из водных растворов включает фильтрацию раствора через селективный сорбент, помещенный в капельную камеру устройства, применяемого для внутривенного переливания инфузионных растворов, и приготовление препарата, удобного для гамма-спектрометрического измерения. Техническим результатом является повышение экспрессности метода при сохранении высокой эффективности и уменьшении погрешности измерений и искажения результатов вследствие поглощения фильтрами измеряемого гамма-излучения. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ извлечения радионуклидов из водных растворов, включающий фильтрацию раствора через селективный сорбент и подготовку полученного концентрата радионуклидов к гамма-спектрометрическому измерению количества радионуклидов, находящихся в концентрате, отличающийся тем, что сорбент, через который осуществляется фильтрация раствора, помещают в капельную камеру устройства, используемого для внутривенного переливания инфузионных растворов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что активность полученного концентрата радионуклидов измеряют в капельной камере, без извлечения из нее сорбента.