控制區(qū)空氣HTO取樣方法研究

2024-05-08 13:28:24羅雯丹

山東化工 2024年7期

羅雯丹

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院,浙江嘉興 314300)

氚設(shè)施控制區(qū)空氣中的氚,氚化水含量占一定比重,氚化水對(duì)人體可能造成的危害較T2、HT等含氚氣體對(duì)人體造成的危害大10 000倍[1]。因此,在工作場(chǎng)所環(huán)境監(jiān)測(cè)中,空氣中氚化水濃度是必測(cè)項(xiàng)目之一。

測(cè)氚電離室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性寬,可連續(xù)直接測(cè)量。但電離室測(cè)量靈敏度低,探測(cè)下限為40 kBq/m3。由于探測(cè)限不能完全滿足工作場(chǎng)所環(huán)境空氣中氚濃度的監(jiān)測(cè)要求,只作為放射性變化趨勢(shì)的參考。間接法只采集空氣中的氚化水,部分采樣裝置上配套小型催化氧化裝置,將T2、HT等形態(tài)的氚轉(zhuǎn)化為氚化水蒸氣,然后取樣[2]。常用空氣中氚化水的取樣方法有鼓泡法、冷凝法、干燥劑吸附法和冷凍法等,方法比較如表1所示。

表1 空氣中HTO收集方法比較[3]

試驗(yàn)前提是針對(duì)控制區(qū)環(huán)境短時(shí)間取樣后得出當(dāng)前空氣中HTO活度濃度。適用于控制區(qū)取樣要求:操作簡(jiǎn)單、方便,測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,取樣設(shè)備是否交叉污染對(duì)樣品測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響,在取樣過(guò)程中是否會(huì)產(chǎn)生放射性廢物,設(shè)備是否產(chǎn)生靜電或電火花的風(fēng)險(xiǎn)。綜合比較后確定3種適合的取樣方式——鼓泡法、冷凝法及冷凍法。通過(guò)具體試驗(yàn)進(jìn)一步比較3種取樣方法在實(shí)際工作場(chǎng)所的實(shí)用性,驗(yàn)證其優(yōu)缺點(diǎn),選擇適合的控制區(qū)空氣取樣方法,使測(cè)得的監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確,操作方便。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 儀器設(shè)備

液體閃爍計(jì)數(shù)儀(Packard Tri-Carb 5100TR,計(jì)數(shù)效率49%);室內(nèi)除濕機(jī)(除濕量50～100 L/d,5～32 ℃,RH:30%～90%;水箱容量≥1 L)。

1.2 主要材料

針筒注射器(50 mL);液氮儲(chǔ)存瓶、液氮承裝杯(搪瓷杯容量1 000 mL,帶蓋)、不銹鋼金屬托盤、防凍傷手套;電子溫濕度計(jì);液閃瓶(規(guī)格20.0 mL PE瓶);移液槍(規(guī)格1.0 mL);取樣瓶(規(guī)格30 mL,PE瓶)。

1.3 主要試劑

閃爍液:UltimaGoldTM(PE公司生產(chǎn));液氮。

1.4 名詞解釋

CPM:Count per minute 每分鐘計(jì)數(shù);tSIE:外標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換譜指數(shù);BG:Background 本底。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 針管、除濕機(jī)、液氮冷凍取樣方法比較

2.1.1 針管空氣取樣操作流程

選取一支干凈的針筒,使用超純水清洗內(nèi)外表面,針筒內(nèi)吸取10 mL超純水。取樣時(shí),將針筒頭部略向下傾斜,緩慢、勻速向上拉動(dòng)針筒活塞,確保針筒內(nèi)超純水中有氣泡出現(xiàn),針筒活塞拉至刻度30 mL,停止繼續(xù)拉動(dòng),針筒頭部朝上,緩緩將空氣推出針筒,注意不要將水推出針筒,重復(fù)拉推步驟10次。將針管內(nèi)10 mL的超純水裝入取樣瓶中,取閃爍液10 mL,樣品2 mL分別注入液閃瓶,搖勻后放入液閃譜儀進(jìn)行測(cè)量30 min。

2.1.2 除濕機(jī)取樣操作流程

將除濕機(jī)內(nèi)水箱用清水沖洗后擦干后開啟除濕機(jī),并記錄該房間溫濕度,待液氮完全揮發(fā)后關(guān)閉除濕機(jī),將水箱內(nèi)收集到的水倒入取樣瓶潤(rùn)洗一遍后開始取樣,倒?jié)M取樣瓶即可(約30 mL)并在蓋上注明取樣時(shí)間、地點(diǎn)及方法。將閃爍液10 mL、移液槍移取水樣2 mL,分別注入液閃瓶?jī)?nèi);搖勻后放入液閃譜儀內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量時(shí)間30 min。

2.1.3 液氮冷凍法取樣流程

在待取樣房間內(nèi)放置液氮承裝杯(搪瓷水杯),水杯下墊有不銹鋼金屬托盤,將液氮緩緩倒入搪瓷杯內(nèi),注意液體飛濺防止凍傷,待液氮注入1 000 mL時(shí)停止,蓋上杯蓋,記錄該房間溫濕度,搪瓷杯外壁及不銹鋼托盤上逐漸凝結(jié)大片冰霜。由于液氮易揮發(fā)、揮發(fā)速度快,為保證能收集到足夠測(cè)量用的水樣,30 min后再次加入1 000 mL的液氮。待液氮完全揮發(fā)且凝結(jié)在搪瓷杯外壁的冰霜融化成水后,將融化在杯內(nèi)及托盤上的水樣用注射器抽取入取樣瓶?jī)?nèi),收集到的水樣約10～15 mL,在取樣瓶蓋上記錄取樣時(shí)間、地點(diǎn)及方法。取閃爍液10 mL、水樣2 mL,分別注入液閃瓶?jī)?nèi);搖勻后放入5110液閃譜儀內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量時(shí)間30 min。

2.1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)?zāi)康?分析測(cè)量結(jié)果,比較三種方法是否適合控制區(qū)空氣取樣。

試驗(yàn)地點(diǎn):B房間。

試驗(yàn)內(nèi)容:同時(shí)開始使用針管空氣取樣,開啟除濕機(jī),傾倒液氮。待杯內(nèi)液氮完全揮發(fā)后,關(guān)閉除濕機(jī),保證取樣時(shí)間相同。針管空氣取樣在開始、第二次傾倒液氮、液氮即將完全揮發(fā)時(shí)各取樣一次,每次使用3支針管同時(shí)進(jìn)行取樣。測(cè)量樣品前,取3個(gè)超純水樣品的測(cè)量結(jié)果作為測(cè)量所用儀器的本底水平。

記錄房間溫濕度、記錄樣品測(cè)量結(jié)果:CPM、tSIE。

2.1.5 數(shù)據(jù)處理

HTO活度濃度的計(jì)算公式:

式中:Eff——儀器效率,Eff=0.053 28+6.977 2×10-4×tSIE。

定義除濕機(jī)樣品與液氮樣品活度濃度相對(duì)偏差:

鼓泡法計(jì)算公式:

2.1.6 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

結(jié)合表2和圖1可知注射器取樣法數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較低,且該方法的取樣效率需通過(guò)進(jìn)一步嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)獲得,該取樣方法有待進(jìn)一步研究,故在控制區(qū)內(nèi)環(huán)境取樣,就目前現(xiàn)有條件,注射器取樣法不適用。另外兩種取樣方法——除濕機(jī)與液氮采樣所得到的樣品放射性活度濃度差異很小,相對(duì)偏差均小于20%,兩組數(shù)據(jù)重復(fù)性和穩(wěn)定性好,可以認(rèn)為兩組數(shù)據(jù)來(lái)自同一總體,差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,兩種方法可互相替代。但試驗(yàn)地點(diǎn)較單一,不能說(shuō)明所用取樣方法在控制區(qū)其他房間同樣適用,且取樣設(shè)備在不同活度濃度房間重復(fù)使用是否存在交叉污染風(fēng)險(xiǎn),都有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 B房間除濕機(jī)與液氮采集樣品活度比較圖

表2 針管、除濕機(jī)、液氮方法取樣后的樣品活度比較

2.2 液氮取樣裝置交叉污染驗(yàn)證試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)?zāi)康?驗(yàn)證同套液氮取樣裝置在不同活度濃度的房間進(jìn)行取樣,對(duì)樣品測(cè)量結(jié)果的影響。

試驗(yàn)地點(diǎn):房間E、B、D、C,選擇以上控制區(qū)房間進(jìn)行取樣的原因是:控制區(qū)所有房間的空氣中HTO活度偏高,經(jīng)前期調(diào)查,E、D、B房間空氣中HTO活度較高,且與C房間相差較大,若存在交叉污染,對(duì)樣品的測(cè)量結(jié)果影響明顯。

試驗(yàn)內(nèi)容:在E、B、D房間同時(shí)進(jìn)行液氮冷凍法取樣(取樣裝置全新),取樣完成后沖洗取樣裝置并擦干。再將E、B、D房間的液氮取樣裝置放置于C房間內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行取樣,并另外準(zhǔn)備一套全新的液氮取樣裝置于C房間同時(shí)開始取樣。將E、B、D取樣裝置放到C房間后收集到的空氣樣品與全新液氮取樣裝置收集到C房間的空氣樣品的活度濃度進(jìn)行比較。

試驗(yàn)記錄:各房間溫濕度,各房間樣品測(cè)量結(jié)果CPM、tSIE。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.3 數(shù)據(jù)分析

液氮取樣裝置交叉污染試驗(yàn)樣品活度對(duì)比見表3。

表3 液氮取樣裝置交叉污染試驗(yàn)樣品活度對(duì)比

由表3可知,在活度濃度較高房間取過(guò)樣的液氮取樣裝置在活度濃度較低的房間進(jìn)行取樣時(shí),樣品活度與C房間標(biāo)準(zhǔn)樣品活度的相對(duì)偏差小于±5%,樣品放射性活度濃度相差很小,未對(duì)該房間樣品測(cè)量結(jié)果造成影響,說(shuō)明取樣裝置未被放射性污染,可以在不同房間交叉使用。

2.3 除濕機(jī)、液氮應(yīng)用于控制區(qū)各房間取樣的穩(wěn)定性試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)?zāi)康?驗(yàn)證除濕機(jī)與液氮取樣法在控制區(qū)不同房間進(jìn)行取樣是否可行、穩(wěn)定性良好,同時(shí)驗(yàn)證除濕機(jī)是否存在交叉污染風(fēng)險(xiǎn)。

試驗(yàn)地點(diǎn):選擇的房間均是空氣中HTO濃度較高,且活度濃度在各個(gè)量級(jí)均有體現(xiàn)。

6月12日取樣順序:A、E、F、A→C、E→D、F→G、C→H,選擇活度濃度相差不大(在同一量級(jí)上)的兩個(gè)房間共用同一臺(tái)除濕機(jī)。

6月18日取樣順序:A、C、D、A→E、C→F、D→H、E→H,D與H房間空氣中HTO活度濃度相差較大。

6月24日取樣順序:C、D、B、B→A、C→F、D→E、F→H,B與A房間空氣中HTO活度濃度相差較大。

6月30日取樣順序:A、F、C、A→B、F→E、C→D、D→H,先同時(shí)取3個(gè)活度濃度較低的房間,再取3個(gè)活度濃度較高的房間。

試驗(yàn)內(nèi)容:在控制區(qū)選擇的房間內(nèi)分別使用除濕機(jī)及液氮冷凍法同時(shí)取樣,由于除濕機(jī)及液氮取樣裝置數(shù)量有限,每次僅能使用3套在3個(gè)房間同時(shí)進(jìn)行取樣。待液氮完全揮發(fā)后關(guān)閉除濕機(jī),保證取樣時(shí)間相同。更換房間取樣時(shí),注意先清洗除濕機(jī)水箱及液氮杯、托盤并擦干。記錄各房間溫濕度,測(cè)量結(jié)果CPM、tSIE。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理

ρ飽和=4.85×10[6.9×t/(230+t)]

式中:RH——相對(duì)濕度;

VML——測(cè)量樣品體積;

ρ飽和——飽和水蒸氣密度。

定義除濕機(jī)樣品與液氮樣品活度濃度相對(duì)偏差:

2.3.3 數(shù)據(jù)分析

結(jié)合圖2～5和表4～7可知,除濕機(jī)樣品活度與液氮樣品活度的相對(duì)偏差小于20%,進(jìn)一步證明在不同房間使用以上兩種方式取樣所得結(jié)果差別不大,都可用于控制區(qū)環(huán)境取樣。但是個(gè)別房間除濕機(jī)采樣結(jié)果遠(yuǎn)高于液氮采樣結(jié)果(相差1個(gè)數(shù)量級(jí)),相對(duì)偏差大于80%,對(duì)這種情況進(jìn)行分析:由上一試驗(yàn)已證明,液氮取樣裝置未被放射性活度濃度高的房間空氣樣品污染,液氮冷凍法取樣的樣品活度濃度值穩(wěn)定,以其作為標(biāo)準(zhǔn),分析除濕機(jī)的取樣結(jié)果,盡管對(duì)除濕機(jī)水箱進(jìn)行沖洗擦拭,但內(nèi)部的冷凝部件卻無(wú)法清潔,殘留著取前一個(gè)房間的樣品,故除濕機(jī)采樣結(jié)果偏高。在活度濃度相差不大(同一數(shù)量級(jí))的兩個(gè)房間共用一臺(tái)除濕機(jī)進(jìn)行取樣,或同一臺(tái)除濕機(jī)先于低濃度房間取樣后于高濃度房間取樣,對(duì)取樣結(jié)果無(wú)影響。