CN110320092A - 放射性核素富集方法、装置及具有其的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种放射性核素富集方法、装置及具有其的系统，其中，方法包括：采集待测液体，并对待测液体进行流量控制；浓缩富集过程中，通过加热搅拌，根据预设的目标温度差和目标沸腾换热要求对待测液体进行蒸发，以使蒸发速度达到预设速度；在清洗后，采集放射性核素富集后的浓缩液，以根据浓缩液得到待测液体的放射性核素富集结果。该方法有效解决了目前富集时间长、富集速度慢、操作依赖人员技术水平、且同一批次处理过程数据一致性较差的技术问题，采用真空低温富集的方法，从而可以很大程度上缩短富集时间，且容易实现自动化，提高富集样品的一致性，简单易实现。

Description

放射性核素富集方法、装置及具有其的系统

技术领域

本发明涉及放射性核素检测技术领域，特别涉及一种放射性核素富集方法、装置及具有其的系统。

背景技术

随着核能的开发和核能的和平利用，生产过程中产生的废水增多，对环境水体的威胁不断上升。为保障工业生产废水的安全排放和饮用水源的质量，对水体进行放射性测量是一项关系国计民生的重要任务。水体中放射性测量一般分步进行。如图1所示，首先进行总α和总β测量，在总α和总β不超标的情况下认为水是安全的，可以饮用。在总α和总β超标的情况，需要对水体中具体核素的测量。

因此，水中放射性测量是保障饮用水安全的一项很重要的工作。水体中放射性的含量一般都比较低，受到测量仪器的探测限的约束，一般直接无法直接进行测量，需要通过富集后再进行测量。

相关技术中，水体中放射性富集一般采用蒸发法、共沉淀法、特定树脂法分离法和冷冻法。这些方法一般用在实验室测量的处理，存在操作复杂、经验要求高、浓缩速度慢等方面的原因，无法适应自动在线监测处理时间短、流程简单、稳定高、可自动处理的需要。

另外，相关技术中，主要有蒸发浓缩法有常压浓缩法、气流吹蒸法。

国标中对于水样的蒸发一般采用常压浓缩法。将水样分次倒入锥形瓶中，置于电热板上缓慢加热，在微沸条件下蒸发浓缩至约30ml，然后将浓缩液全部转入坩埚中继续蒸发至干。气流吹蒸法是将空气或氮气吹入盛有净化液的容器中，不断降低液体表面蒸气压，使溶剂不断蒸发而达到浓缩的目的。

然而，常压蒸发法的缺点是蒸发速度慢。根据热力学原理，想要提升蒸发速度，需要加大传热功率，使液体处于沸腾状态，另一方面沸腾状态下水就会发生飞溅，放射性素就会跟随一起损失掉。这是互相矛盾的两个方面，为了保证放射性核素的回收率，就得控制飞溅的产生，就只能在微沸的状态下进行，微沸状态下液体的蒸发速度就会很慢，导致富集时间很长。

气流吹蒸法是通过降低液体表面蒸气压，按照热力学原理，想要提升蒸发速度，就得增加液体与气体界面的面积。如果将样品放置在一个表面积很大的器皿中进行蒸发，蒸发后得到的放射性核素分散在很大的表面上，导致回收率很低。一方面为了提升蒸发速度需要加大接触面积，另一方面为了保证回收率需要减小接触面，这也是互为矛盾，只能取一个平衡点，导致气流吹蒸法速度也是很低。

共沉淀法操作过程复杂，很难将放射性核素进行全部沉淀，导致放射性核素回收率低，很难保证同一批样品处理过程中每次的结果保持一致。

树脂分离方法受到离子交换的速度和饱和容量的限制，富集时间较长，无法进行大体积水样的处理。

综上，上述这些方法耗时较长，无法满足快速测量的要求，而且这些方法目前很难实现自动化，整个过程极度依赖人员的技术水平，导致富集样品的一致性差，有待解决。

发明内容

本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现做出的：

水中射性核素的含量一般都比较低，很难直接用仪器进行测量，需要经过富集处理后才能进行测量。采用蒸发法、共沉淀、树脂方法进行水中痕量放射性进行富集的方法，耗时较长，无法满足快速测量的要求，而且这些方法目前很难实现自动化，整个过程极度依赖人员的技术水平，导致富集样品的一致性差。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种放射性核素富集方法，该方法可以很大程度上缩短富集时间，且容易实现自动化，提高富集样品的一致性，简单易实现。

本发明的第二个目的在于提出一种放射性核素富集装置。

本发明的第三个目的在于提出一种放射性核素富集系统。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种放射性核素富集方法，包括：采集待测液体，并对所述待测液体进行流量控制；在富集过程中，通过加热搅拌，根据预设的目标温度差和目标沸腾换热要求对所述待测液体进行蒸发，以使蒸发速度达到预设速度；在清洗后，采集放射性核素富集后的浓缩液，以根据所述浓缩液得到所述待测液体的放射性核素富集结果。

本发明实施例的放射性核素富集方法，有效解决了目前富集时间长、富集速度慢、操作依赖人员技术水平、且同一批次处理过程数据一致性较差的技术问题，采用真空低温富集的方法，从而可以很大程度上缩短富集时间，且容易实现自动化，提高富集样品的一致性，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的放射性核素富集方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据预设的目标温度差和目标沸腾系数对所述待测液体进行蒸发，包括：降低蒸发皿内部的压强，使所述压强达到预设压强，以将当前温度差达到所述目标温度差，提升蒸发速度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据预设的目标温度差和目标沸腾系数对所述待测液体进行蒸发，包括：对所述待测液体进行暴沸处理，以使所述待测液体处于沸腾状态，提升蒸发速度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在采集所述待测液体之前，还包括：对容器进行真空处理。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种放射性核素富集装置，包括：采集模块，用于采集待测液体，并对所述待测液体进行流量控制；蒸发模块，用于富集浓缩过程中，通过加热搅拌，根据预设的目标温度差和目标沸腾换热要求对所述待测液体进行蒸发，以使蒸发速度达到预设速度；富集模块，用于在清洗后，采集放射性核素富集后的浓缩液，以根据所述浓缩液得到所述待测液体的放射性核素富集结果。

本发明实施例的放射性核素富集装置，有效解决了目前富集时间长、富集速度慢、操作依赖人员技术水平、且同一批次处理过程数据一致性较差的技术问题，采用真空低温富集的方法，从而可以很大程度上缩短富集时间，且容易实现自动化，提高富集样品的一致性，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的放射性核素富集装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述蒸发模块进一步用于降低蒸发皿内部的压强，使所述压强达到预设压强，以将当前温度差达到所述目标温度差，提升蒸发速度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述蒸发模块进一步用于对所述待测液体进行暴沸处理，以使所述待测液体处于沸腾状态，提升蒸发速度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：处理模块，用于在采集所述待测液体之前，对容器进行真空处理。

为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种放射性核素测量系统，包括：水样容器，用于用来盛装待测液体；计量泵，用于将所述待测液体输送至蒸发器内部；传热介质；温度计，用于测量所述传热介质的温度；蒸发器；搅拌器；加热装置；冷凝器，用于通过冷凝液热交换作用对蒸发出来的气体进行冷凝；冷凝液存储器；循环泵，用于循环冷凝液；溜出液体收集器，用于收集馏出液；真空泵，用于降低蒸发器内部的压强；压力表，用于指示蒸发器内部的压强；浓缩液流出管，用于流出富集得到的物质；如上述实施例所述的装置。

本发明实施例的放射性核素富集系统，有效解决了目前富集时间长、富集速度慢、操作依赖人员技术水平、且同一批次处理过程数据一致性较差的技术问题，采用真空低温富集的方法，从而可以很大程度上缩短富集时间，且容易实现自动化，提高富集样品的一致性，简单易实现。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为相关技术的水体放射性测量流程图；

图2为根据本发明实施例的放射性核素富集方法的流程图；

图3为根据本发明一个实施例的放射性核素富集方法的流程图；

图4为根据本发明实施例的总α/总β在线监测系统工作流程；

图5为根据本发明实施例的低本底液闪计数分析系统结构示意图；

图6为根据本发明实施例的光室结构示意图；

图7为根据本发明实施例的真空低温浓缩实验装置结构示意图；

图8为根据本发明实施例的实验流程图；

图9为根据本发明实施例的真空低温浓缩装置效果图；

图10为根据本发明实施例的真空低温浓缩实物图；

图11为根据本发明实施例的放射性核素富集装置的结构示意图；

图12为根据本发明实施例的放射性核素富集系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的放射性核素富集方法、装置及具有其的系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的放射性核素富集方法。

图2是本发明一个实施例的放射性核素富集方法的流程图。

如图2所示，该放射性核素富集方法包括以下步骤：

在步骤S201中，采集待测液体，并对待测液体进行流量控制。

可以理解的是，如图3所示，在采集到待测液体之后(也可以称为进样)，对待测液体进行流量控制，从而为下一步操作做准备。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在采集待测液体之前，还包括：对蒸发容器进行抽真空处理。

可以理解的是，如图3所示，在进样之前，首先需要对容器进行抽真空处理，以降低容器内部的压强。

在步骤S202中，富集浓缩过程中，通过加热搅拌，根据预设的目标温度差和目标沸腾换热要求对待测液体进行蒸发，以使蒸发速度达到预设速度。

其中，预设速度可以理解为设定需要达到的目标速度，也就是说，预设的目标温度差和目标沸腾换热要求可以根据实际情况进行设置，只需要使得蒸发速度达到目标速度即可，在此不做具体限定。

需要说明的是，本发明实施例的方法是一种采用真空低温浓缩进行水中放射性核素富集的方法。根据热力学原理，蒸发的速度受到温度差、传热面积、沸腾状态等多方面的影响。在保证放射性核素回收率的前提下，传热面积是越大越好，但面积越大，放射性核素的损失率也不断提高。因此，传热面积的提升是受到一定限制的。本发明实施例可以通过加大温度差和提升沸腾系数两个方面提升蒸发速度。

其中，在本发明的一个实施例中，根据预设的目标温度差和目标沸腾换热要求对待测液体进行蒸发，包括：降低蒸发皿内部的压强，使压强达到预设压强，以将当前温度差达到目标温度差，提升蒸发速度。

具体地，加大温度差的方法主要有两种，一种是提高传热介质的温度，另一种是降低液体的沸点。提高传热介质温度将会导致两个结果：一是温度过高，放射性核素将在蒸发器表面发生焦黄，附着在蒸发器表面，很难进行回收，导致放射性核素回收率下降，另一结果是温度过高，传热介质的蒸发速度也会加大，导致传热介质的损失增大。本发明采用降低液体沸点的方法，液体的沸点是与压强成正比关系，压强越大，沸点越高，压强越小，沸点越低。通过降低蒸发器内部的压强，从而降低液体的沸点，以达到提高温度差的目的。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据预设的目标温度差和目标沸腾换热要求对待测液体进行蒸发，包括：对待测液体进行暴涨处理，以使待测液体处于沸腾状态，提升蒸发速度。

可以理解的是，提升沸腾换热系数的方法主要是让液体在一种强制对流的状态下进行蒸发，达到提升蒸发速度的目的。

综上，通过以上两个途径，一方面可以大大减少水体中放射性核素的富集时间，而且这种方法很容易实现自动化，从而可以大大缩短水体中放射性测量的整体时间，可以满足水体快速放射性核素测量的需求。

在步骤S203中，在清洗后，采集放射性核素富集后的浓缩液，以根据浓缩液得到待测液体的放射性核素富集结果。

其中，放射性核素富集结果可以理解为放射性核素的富集样品，如图3所示，在加热搅拌之后，进行清洗，从而可以采集得到放射性核素富集后的浓缩液，进一步得到放射性核素的富集样品。然后，可以根据富集样品测量待测液体的放射性核素含量，从而可以满足快速测量的要求。

进一步地，在本发明的一个实施例中，放射性核素含量可以包括总α含量和总β含量，当然，还可以包括其他核素，为避免冗余，不再一一赘述。

下面将以总α含量和总β为例对放射性核素富集方法进行进一步阐述。

1、真空低温浓缩在水体总α/总β自动在线监测中的应用

针对水体总α和总β自动人工测量方法自动化程度低、受人员影响因素大，无法实施大面积分布式无人在线监测等问题，本发明实施例提出一种基于真空低温浓缩制样和LSC (liquid scintillation counting，液闪计数)测量的总α和β自动在线监测方法。为提高真空低温浓缩样品回收率和稳定性，采用磁力进行搅拌，防止浓缩过程中暴沸和飞溅造成样品损失。实验结果表明该方法回收率稳定，高于85％，浓缩速度可达10ml/min，能够大幅缩短LSC测量预处理时间。利用现有的低本底小型LSC分析系统在1小时的测量时间内，可以实现总α总β的探测下限远低于0.5Bq/l和1Bq/l的筛查标准。本发明实施例的方法成功解决水体总α总β无人在线监测问题，还可应用于其它水中核素的在线监测，将极大提升在线核素监测水平。

随着核能的开发和核能的和平利用，生产过程中产生的废水增多，对环境水体的威胁不断上升。为保障工业生产废水的安全排放和饮用水源的质量，对水体进行放射性测量是一项关系国计民生的重要任务。一般情况下，总α和总β测量是水体放射性筛查的第一步，在总α和总β超过筛查水平的情况下才进行具体核素的放射性测量。因此，如何快速、准确的测量水体中总α和总β放射性活度是水体放射性筛查的关键环节。

水体总α和总β放射性活度测量的一般方法是厚源法和薄源法。液闪计数分析由于其流程简单、样品准备经验要求不高和实验室工作量小，近年成为总α总β测量的一种重要方法。许多研究者在这方面进行了大量的研究，主要集中于测量方法、测量不确定和参数优化等方面。样品前处理是基于LSC测量总α总β的关键步骤，一般有蒸发法、共沉淀法、特定树脂法分离法和冷冻法。这些方法一般用在实验室测量的处理，存在操作复杂、经验要求高、浓缩速度慢等方面的原因，无法适应自动在线监测处理时间短、流程简单、稳定高、可自动处理的需要。针对水体总α和总β放射性活度自动在线监测的特点，本发明实施例提出了一种基于真空低温浓缩的自动前处理方法。经实验，本发明实施例方法能够显著缩短了样品浓缩时间，且放射性回收率高且稳定。可应用在总α/总β的自动在线监测，还可应用于水体Sr90等其它放射性核素测量的样品浓缩。这将很大程度上提高水体放射性自动测量的制样水平。

2、总α/总β在线监测系统工作流程

水体总α/总β自动在线监测系统主要应用于自来水厂、水源地和有放射性流出物的工业生产地等需要长期进行放射性在线监测的场合。在这种应用场合下，现场进行样品测量所需要的体积是足够的，所以在测量过程中重点不关注样品的消耗量。系统由水样前处理、真空低温浓缩、制样辅助、低本底液闪计数分析和仪器控制等部分组成。系统工作流程如图4所示。

采集规定量的原样进入容器，经过沉淀，按规定的流速抽取定量体积的水样进行真空低温浓缩，浓缩干后用10ml硝酸进行洗脱后移入液闪瓶，在液闪瓶中加入10ml闪烁液(Ultima AB^TM)，送入低本底液闪计数分析系统，下面先简单介绍一下低本底液闪计数分析系统。

如图5所示，低本底液闪计数分析系统由项目组单位――核安全中心研制，采用双管结构，使用高速信号采集电路进行液闪信号全脉冲采集，由分析软件完成信号处理及结果计算。通过铅屏蔽和数字符合有效降低本底，减少了铅屏蔽厚度和大量模拟电路插件的使用，具有体积小、结构紧凑等特点。系统由光室及铅屏蔽、PMT(photomultiplier tube，光电倍增管)探测器、高速信号采集电路、分析软件、电源等部分组成。

低本底液闪计数分析系统的光信号收集部分由光室、铅屏蔽层、PMT探测器等部分组成。其中光室内径40mm、高70mm，内衬为聚四氟乙烯材料；铅屏蔽厚度为50mm。探测器为两只180度对称放置的1.5英寸光电倍增管，测量时使用20mL液闪样品瓶。其中，光室结构如图6所示。

进一步地，低本底液闪计数分析系统的α本底0.048cps，β本底0.64cps，α探测效率98.3％，β探测效率86.5％。

下面将本发明实施例的实验原理进行详细的阐述。

真空低温浓缩是整个总α/总β自动在线监测系统样品制备的关键部分。其工作原理是通过降低压强，使水样在低温下沸腾，减轻溶质的挂壁、焦黄现象，从而提高溶质回收率。浓缩速度直接制约着总α/总β的筛查所需要的时间，期望的时间越短越好。工程实现过程中受各种条件限制，在综合考虑成本的前提下，实现技术指标要求。根据自动在线监测系统的总时间要求为2小时，计划测量时间为1小时。假设样品的体活度为A(单位为Bq/l)，样品体积为V(单位为l)，回收率为η，探测效率为ε，测量时间为t(单位为秒)。根据探测限公式：

从而可得最小可探测活度MDA：

从而可以得到：

国际卫生组织和我国对总α总β的筛查水平分别为0.5Bq/L和1Bq/L，在测量时间1小时情况下，根据前面已知条件，可以得到V·η的值分别为0.036和0.072。由于总α和总β是同时进行测量，因此取其中的最大值，即V·η的值0.072。浓缩的样品体积和回收率的乘积超过上面的数值情况下，可实现总α总β的MDA优于0.5Bq/L和1Bq/L。如果需要提高最小可探测活度或者降低测量误差，可以提高测量时间或样品浓缩体积。

进一步地，进行实验装置的搭建，实验装置由量筒、蠕动泵、烧瓶、恒温槽、冷凝管、循环泵和真空泵等组成。真空低温浓缩实验装置如图7所示，蠕动泵用来控制进样速度，真空泵用来对烧瓶抽真空。

实验方法

将一定质量的NaCl溶解在去离子水中，取一定体积的溶液进行真空低温浓缩至干，记录开始和结束时间，称重所得的残渣质量，从而计算回收率和蒸发速度。实验采用分析天平进行称重，量度0.1mg。

(1)样品体积

真空低温浓缩在烧瓶中进行，飞溅一般不会造成溶质减少，所以回收率一般都相对比较高。假设回收率为80％，根据上面的计算结果，样品体积在100ml左右即可满足要求。

(2)烧瓶体积

低本底液闪计数分析系统测量使用的液闪瓶体积为20ml，测量需要添加的闪烁液为 10ml，洗脱采用的硝酸(0.05mol/L)溶液为10ml。如果烧瓶体积选择太大，10ml的硝酸溶液很难将溶质全部清洗下来，从而造成回收率的下降。烧瓶体积选择太小，由于受热面积的限制，蒸发速度较低。本实验初步选择常用的25ml的圆底烧瓶。

(3)搅拌方式

水样在真空环境下容易产生暴沸，使水样从克氏蒸馏头进入冷凝管，从而造成回收率的急骤下降。防止暴沸的方法一般有毛细管、加沸石和搅拌等方法。烧瓶内具有很高的真空度，毛细管法很难形成气化中心，不能有效防止暴沸。烧瓶中加入沸石可以防止暴沸，但沸石中的溶质很难通过硝酸清洗下来，会使一部分溶质损失，造成回收率下降。搅拌方法有机械搅拌和磁力搅拌等方法，真空环境下在小体积内形成有效的机械搅拌实现比较困难，本实验采用磁力搅拌方式。

(4)温度控制

一方面，根据热力学传热原理，相同条件下，温差越大，传输热量越多。为了提高蒸发速度，需要尽量提高恒温槽的温度。另一方面，温度过高，在烧瓶结垢现象严重，无法通过硝酸进行洗脱，造成溶质损失，降低回收率。本实验温度控制在70～80℃。

进一步而言，实验的基本流程如图8所示。首先，配置1L浓度为C的NaCl标准样品，用量筒取500ml。第二步，按图,7连接好实验装置，打开恒温槽和真空泵，设置恒温槽温度，记录真空度。等待恒温槽温度上升到80℃后，打开磁力搅拌器和蠕动泵，记录开始工作时间t1。手动调节蠕动泵，使烧瓶的液面保持在10ml液位。在量筒液面下降100ml的时候，关闭蠕动泵。将烧瓶中溶液蒸干，记录结束时间t2。关闭真空泵、磁力搅拌和恒温槽。取下烧瓶(含磁力搅拌子)，用马沸炉烘干后放干燥箱冷却后进行称量，记录质量m1。用 10ml的硝酸(0.05mol/L)对烧瓶(含磁力搅拌子)进行清洗，用上述相同方法烘干冷却烧瓶进行称量，并记录质量m2。其中，

回收率可用公式4进行计算：

浓缩速度可以用公式5进行计算：

按照以上实验流程，采用25ml的烧瓶作为蒸发器，蒸发液面控制在10ml刻度左右，恒温槽温度设置为80℃，蒸发100ml溶液，实验装置内部压强0.05MPa。实验结果如表1 和表2所示。其中，表1为浓缩速度表，表2回收率表。

表1

表2

实验编号1和2是在同一天进行，采用同一组溶液。三组实验数据样品回收率基本保持在98％左右，回收率稳定。浓缩速度在1.5-2ml左右，100ml溶液的浓缩时间在60分钟左右。浓缩速度有一定的变化，可能原因是采用烧瓶不是同一个，传热系数可能会有一定的偏差；另一个原因是购买的普通磁力搅拌仪的恒温槽温度有一定的波动，搅拌工况不完全相同。上述结果基本满足在线监测系统的浓缩处理时间要求。根据以上实验数据和公式 2，在测量时间为1小时的情况下，总α和总β最小可探测活度分别好于0.19Bq/L和0.75Bq/L。

为进一步提升浓缩速度，缩短预处理时间，进行了两级浓缩实验。根据热力学传热理论，在温度条件不变的情况下，蒸发速度与受热面积成正比。考虑到浓缩倍数很大时，溶液将有固体物析出，不利于清洗，从而降低回收率。第一级浓缩倍数设定为5倍，采用500ml的三角烧瓶作为蒸发器，将500ml左右的溶液先浓缩至100ml左右，再采用25ml的烧瓶，用连续进样的方法浓缩至干。实现结果如表3所示。

表3

实验编号1和2是在同一天进行，采用同一组溶液。三组实验数据表明，回收率稳定在96％左右。相比两级浓缩和单级浓缩，回收率有所下降。可能原因是第一级浓缩结束后，第一级500ml烧瓶内的溶液可能无法全部转移到第二级进行浓缩，从而回收率有所下降。

工程化实现

为了验证该方法的工程应用价值，制作了真空低温浓缩的工程实验装置，其效果图如图9所示，实物如图10所示。为了克服前期实验过程中磁力搅拌不稳定的问题，采用伺服电机带动强磁铁，从而使磁力搅拌子转动稳定。为了提高蒸发速度，增大了受热面积降低了冷凝温度。内胆下部为直径150mm的球形，上部为100mm的圆柱形，体积在2000ml 左右。外部加热玻璃胆直径300mm，高500mm。为测试该装置的蒸发速度和该方法的样品回收率，实验方法如下：

用2gNA₂CO₃分别溶于500ml和4000ml去离子水，采用该装置浓缩至干，记录浓缩时间。用20ml去离子进行洗脱，将洗脱液与过量的磷酸进行反应，测量反应过程质量减少，计算出回收的NA₂CO₃质量，从而计算得到回收率。

实验过程中，水浴设置温度为75℃，冷却剂采用二乙醇，相对真空度为-97.5kpa。液体浓缩体积4000ml，采用连续进样，500ml浓缩体积时，一次性加入。假设反应过程质量减少为m，根据化学反应式：

3Na₂CO₃+2H₃PO₄＝2(Na)₃PO₄+3H₂O+3CO₂↑，

可以用公式计算得到回收的NA₂CO₃质量M，进而可以得到回收率。其中，实验数据如表4所示。

表4

从实验数据可以看出，浓缩速度最大达到12ml/min，回收率相对比较稳定。4000ml实验比500ml的实验回收率相对要高，可能原因是4000ml实验过程浓度相对较小，浓缩过程在玻璃壁上残留的相对较少，从而出现回收率相对较高。4000ml实验较500ml实验的浓缩速度要快，可能原因是体积较小时，整个装置进入稳定工况的运行时间相对较短。

根据工程装置的数据与前面的实验数据进行对比，计算总α的总β的最小可探测活度浓度，可以得到如表5所示的结果。测量LSC仪器参数同前，测量时间1小时。

表5

从实验数据可以看出，工程装置的平均回收率有所下降，主要原因是设备体积增大，损耗增加。从第2组和第3组数据对比可以发现，采用工程装置相同浓缩体积情况下，浓缩速度有显著的提升，大量节约了浓缩时间，虽回收率有所下降，但最小可探测活度变化不显著。因此，该工程装置可实现1小时内完成500ml水样的前处理，在1小时的测量时间下，其总α总β分别可达到0.042Bq/L和0.17Bq/L，远低于筛查标准。

综上，本研究针对水体总α/总β测量的传统前处理方法耗时长，人员操作量等问题，提出了一种基于低温真空浓缩的前处理方法。测试数据表明，该方法可在1小时内完成500ml水样的浓缩，可用于水样总α总β自动在线监测的自动前处理。

该方法极大缩短了传统总α总β测量的前处理时间，适应于其它核素(如⁹⁰Sr)的前处理，这将极大提升总α总β测量数据的实时性。该方法可应用于地表水、海洋浅层水、饮用水和核设施液态流出物的总α总β实时测量的前处理。该成果将极大提升我国总α总β测量的实时测量水平，促进核辐射实时测量上一个新的台阶。

根据本发明实施例提出的放射性核素富集方法，有效解决了目前富集时间长、富集速度慢、操作依赖人员技术水平、且同一批次处理过程数据一致性较差的技术问题，采用真空低温富集的方法，从而可以很大程度上缩短富集时间，且容易实现自动化，提高富集样品的一致性，简单易实现。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的放射性核素富集装置。

图11是本发明一个实施例的放射性核素富集装置的结构示意图。

如图11所示，该放射性核素富集装置100包括：采集模块110、蒸发模块120和富集模块130。

其中，采集模块110用于采集待测液体，并对所述待测液体进行流量控制；。蒸发模块 120用于浓缩富集过程中，通过加热搅拌，根据预设的目标温度差和目标沸腾系数对待测液体进行蒸发，以使蒸发速度达到预设速度。富集模块130用于在清洗后，采集放射性核素富集后的浓缩液，以根据浓缩液得到待测液体的放射性核素富集结果。本发明实施例的装置100可以很大程度上缩短富集时间，且容易实现自动化，提高富集样品的一致性，简单易实现。

进一步地，在本发明的一个实施例中，蒸发模块120进一步用于降低蒸发皿内部的压强，使压强达到预设压强，以将当前温度差达到目标温度差，提升蒸发速度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，蒸发模块120进一步用于对待测液体进入暴涨处理，以使待测液体处于暴涨状态，提升蒸发速度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置100还包括：处理模块。其中，处理模块用于在采集待测液体之前，对容器进行真空处理。

需要说明的是，前述对放射性核素富集方法实施例的解释说明也适用于该实施例的放射性核素富集装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的放射性核素富集装置，有效解决了目前富集时间长、富集速度慢、操作依赖人员技术水平、且同一批次处理过程数据一致性较差的技术问题，采用真空低温富集的方法，从而可以很大程度上缩短富集时间，且容易实现自动化，提高富集样品的一致性，简单易实现。

此外，本发明的实施例还提出一种放射性核素富集系统，包括：水样容器，用于用来盛装待测液体；计量泵，用于将待测液体输送至蒸发器内部；传热介质；温度计，用于测量传热介质的温度；蒸发器；搅拌器；加热装置；冷凝器，用于通过冷凝液热交换作用对蒸发出来的气体进行冷凝；冷凝液存储器；循环泵，用于循环冷凝液；溜出液体收集器，用于收集馏出液；真空泵，用于降低蒸发器内部的压强；压力表，用于指示蒸发器内部的压强；浓缩液流出管，用于流出富集得到的物质；如权利要求6-8任一项的装置。

其中，上述实施例的放射性核素富集装置也可以称为控制装置。

具体而言，如图12所示，整个水体放射性核素富集系统包括水样容器1、计量泵2、传热介质3、温度计4、蒸发器5、搅拌器6、加热装置7、冷凝器8、冷凝液储存器9、循环泵10、馏出液收集器11、真空泵12、压力表13、浓缩液流出管14及相应的控制装置等组成。

真空泵12的作用是使蒸发器5内部的压强降低。冷凝器8的作用是通过冷凝液热交换作用对蒸发出来的气体进行冷凝。搅拌器6的作用是通过搅拌防止暴沸，可以是机械搅拌，也可以是电驱动搅拌。馏出液收集器11用来收集馏出液。水样容器1用来盛装需要富集的样品水(即待测溶液)。计量泵2的作用是将样品水输送至蒸发器内部，可以控制输送速度。浓缩液流出管14的作用是流出富集得到的物质。循环泵10的作用是循环冷凝液。温度计4是用来测量传热介质的温度。压力表13用来指示蒸发器内部的压强。

整个系统的工作流程是首先开启真空泵12，降低蒸发器内部的压强，开启冷凝器8循环，打开加热装置7和搅拌装置6后开始进样。通过控制装置稳定传热介质的温度和进样速度。浓缩结束后得到的物质用洗脱液清洗后从浓缩液流出管流出。

由于真空条件下液体的沸点较低，液体在沸腾状态下蒸发，这种方法较常压蒸发和气体吹扫蒸发的蒸发速度得到有效提高。通过控制加热温度、真空泵、进样速度、搅拌速度，可以实现不同蒸发速度。

根据本发明实施例提出的放射性核素富集系统，有效解决了目前富集时间长、富集速度慢、操作依赖人员技术水平、且同一批次处理过程数据一致性较差的技术问题，采用真空低温富集的方法，从而可以很大程度上缩短富集时间，且容易实现自动化，提高富集样品的一致性，简单易实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种放射性核素富集方法，其特征在于，包括：

采集待测液体，并对所述待测液体进行流量控制；

浓缩富集过程中，通过加热搅拌，根据预设的目标温度差和目标沸腾系数对所述待测液体进行蒸发，以使蒸发速度达到预设速度；以及

在清洗后，采集放射性核素富集后的浓缩液，以根据所述浓缩液得到所述待测液体的放射性核素富集结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设的目标温度差和目标沸腾系数对所述待测液体进行蒸发，包括：

降低蒸发皿内部的压强，使所述压强达到预设压强，以将当前温度差达到所述目标温度差，提升蒸发速度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据预设的目标温度差和目标沸腾换热要求对所述待测液体进行蒸发，包括：

对所述待测液体进行暴沸处理，以使所述待测液体处于沸腾状态，提升蒸发速度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在采集所述待测液体之前，还包括：

对容器进行抽真空处理。

5.一种放射性核素富集装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于采集待测液体，并对所述待测液体进行流量控制；

蒸发模块，用于浓缩富集过程中，通过加热搅拌，根据预设的目标温度差和目标沸腾系数对所述待测液体进行蒸发，以使蒸发速度达到预设速度；以及

富集模块，用于在清洗后，采集放射性核素富集后的浓缩液，以根据所述浓缩液得到所述待测液体的放射性核素富集结果。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述蒸发模块进一步用于降低蒸发皿内部的压强，使所述压强达到预设压强，以将当前温度差达到所述目标温度差，提升蒸发速度。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述蒸发模块进一步用于对所述待测液体进行暴沸处理，以使所述待测液体处于沸腾状态，提升蒸发速度。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：

处理模块，用于在采集所述待测液体之前，对蒸发容器进行抽真空处理。

9.一种放射性核素测量系统，包括：

水样容器，用于用来盛装待测液体；

计量泵，用于将所述待测液体输送至蒸发器内部；

传热介质；

温度计，用于测量所述传热介质的温度；

蒸发器；

搅拌器；

加热装置；

冷凝器，用于通过冷凝液热交换作用对蒸发出来的气体进行冷凝；

冷凝液存储器；

循环泵，用于循环冷凝液；

溜出液体收集器，用于收集馏出液；

真空泵，用于降低蒸发器内部的压强；

压力表，用于指示蒸发器内部的压强；

浓缩液流出管，用于流出富集得到的物质；以及

如权利要求6-8任一项所述的装置。