CN113406114B - 一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于放射性物质分析技术领域，涉及一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法。所述的联合分析方法包括如下步骤：(1)样品采集与预处理；(2)浸取；(3)沉淀及溶解；(4)Pu价态调整；(5)阴离子交换树脂柱纯化及测量；(6)TRU树脂柱纯化及测量；(7)含量计算。利用本发明的气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法，能够获得单气溶胶样品多核素分析结果，且稳定性较好，准确度高，减少气溶胶样品采集的工作量，并缩短核素分析的流程和时间。

Description

一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法

技术领域

本发明属于放射性物质分析技术领域，涉及一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法。

背景技术

日本福岛核事故发生后，我国对核设施的建设和运行提出了更高的要求。同时，随着国家环境保护的要求越来越高，公众环保意识的不断加强以及节能减排政策的实施，提高相关分析技术的水平，确保相关单位更好的完成环境监测和评价工作具有十分重大的意义。

Pu、Am因核试验在全球范围内普遍存在，局部地区的来源也包括核技术利用及核事故等。U属于天然核素，某些人为活动会提高环境介质中U的含量。这些核素是半衰期较长的α核素，其中²³⁸Pu、²³⁹Pu、²⁴⁰Pu、²³⁴U、²⁴¹Am均具有极毒性，可以通过多种途径进入人体造成长期持续内照射，危害人体健康，严重的会导致癌症的发生。

为了更好地保护环境和人体健康，气溶胶中Pu、Am、U的分析是相关单位和监管部门非常重视的对象，这不仅关系到人员内照射剂量估算及防护措施的有效实施，确保工作人员受到有效防护，更能促进核能事业的良性循环发展。目前，我国没有气溶胶介质中Pu、Am、U单核素分析标准方法，更没有联合分析方法。常规的气溶胶介质也只测量总铀含量而未开展同位素分析，这会影响内照射剂量估算的准确性，这对环境监测和剂量估算工作的开展是不利的。

目前，在气溶胶中Pu、Am、U同位素辐射监测管理方面仍存在一些技术瓶颈问题，主要是由于气溶胶中这些同位素含量极低，分析难度较大，很多单位没有准确可靠的分析手段。再则，气溶胶样品采样时间较长，如果进行单核素分析会增加气溶胶的采样工作量。所以，需要对气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法开展研究，以填补这方面技术上的空白，也为环境评价和剂量估算等研究提供技术支持，保护环境和人员健康。

发明内容

本发明的目的是提供一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法，以能够获得单气溶胶样品多核素分析结果，且稳定性较好，准确度高，减少气溶胶样品采集的工作量，并缩短核素分析的流程和时间。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法，所述的联合分析方法包括如下步骤：

(1)样品采集与预处理：将采集的气溶胶样品灼烧后加入一定活度的²⁴²Pu或²³⁶Pu、²³²U、²⁴³Am作示踪剂；

(2)浸取：将被测样品在氢氟酸中浸泡后蒸干，加入硝酸加热浸取后，取过滤残渣加入盐酸加热浸取后，取滤液与硝酸加热浸取后的滤液合并；

(3)沉淀及溶解：在合并的滤液中加入Fe³⁺载体溶液，加入氨水调节pH值后进行沉淀，离心收集沉淀并用硝酸溶解；

(4)Pu价态调整：向步骤(3)溶解得到的溶液中先加入氨基磺酸亚铁溶液还原，再加入亚硝酸钠溶液氧化；

(5)阴离子交换树脂柱纯化及测量：将步骤(4)得到的样品溶液通过阴离子交换树脂柱，将收集的流出液与硝酸、盐酸淋洗液合并后用于Am、U的分析，收集HCl-HF溶液体系洗脱液蒸干并镀片电沉积制源后用于Pu的α谱仪测量；

(6)TRU树脂柱纯化及测量：在硝酸体系下将步骤(5)得到的用于Am、U的分析的合并溶液通过TRU树脂柱，依次用硝酸、硝酸-亚硝酸钠溶液体系、硝酸淋洗柱子后先用盐酸洗脱Am，再用草酸铵溶液洗脱U，将Am和U洗脱液分别蒸干并镀片电沉积制源后分别用于Am和U的α谱仪测量；

(7)含量计算：根据示踪剂和被测核素的α谱仪计数，及示踪剂已知活度，计算被测样品中Pu、Am、U的活度浓度。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法，其中步骤(1)中，所述的²⁴²Pu或²³⁶Pu、²³²U、²⁴³Am的活度各自独立的为0.03-1.0Bq。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法，其中步骤(2)中，所述的硝酸的浓度为3-10mol/L，加入体积为25-200mL；所述的盐酸的浓度为3-9mol/L，加入体积为25-200mL。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法，其中步骤(3)中，所述的加入氨水调节pH值为调节pH值至8-9。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法，其中步骤(4)中，所述的氨基磺酸亚铁溶液的浓度为0.5-2mol/L，还原时间为5-20min；所述的亚硝酸钠溶液的浓度为3-5mol/L，氧化时间为5-20min。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法，其中步骤(5)中，所述的阴离子交换树脂柱为205型阴离子交换树脂柱。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法，其中步骤(5)中，所述的硝酸的浓度为7-8mol/L；所述的盐酸的浓度为7-10mol/L；所述的HCl-HF溶液体系中HCl的浓度为0.2-0.4mol/L，HF的浓度为0.005-0.002mol/L。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法，其中步骤(6)中，先后淋洗柱子的硝酸的浓度分别为1-4mol/L和0.1-2mol/L；所述的硝酸-亚硝酸钠溶液体系中硝酸的浓度为1-4mol/L，亚硝酸钠的浓度为3-5mol/L；所述的盐酸的浓度为2-5mol/L；所述的草酸铵溶液的浓度为0.05-0.5mol/L。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法，其中步骤(5)和步骤(6)中，所述的电沉积的电流密度为500-1200mA/cm²，时间为0.5-3h。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法，其中步骤(7)中，

^239+240Pu的活度浓度的计算公式为：

其中：

A_239+240Pu：待测气溶胶样品中^239+240Pu活度浓度，单位Bq/m³；

A_242Pu：示踪剂²⁴²Pu加入量，单位：Bq；

N_239+240Pu：镀片上^239+240Pu的计数；

N_242Pu：镀片上²⁴²Pu的计数；

E：探测效率；

Y：回收率；

V：气溶胶体积，单位m³，

²³⁸Pu的活度浓度的计算公式为：

其中：

A_238Pu：待测气溶胶样品中²³⁸Pu活度浓度，单位Bq/m³；

A_242Pu：示踪剂²⁴²Pu加入量，单位：Bq；

N_238Pu：镀片上²³⁸Pu的计数；

N_242Pu：镀片上²⁴²Pu的计数；

E：探测效率；

Y：回收率；

V：气溶胶体积，单位m³，

²⁴¹Am的活度浓度的计算公式为：

其中：

A_241Am：待测气溶胶样品中²⁴¹Am活度浓度，单位Bq/m³；

A_243Am：示踪剂²⁴³Am加入量，单位：Bq；

N_241Am：镀片上²⁴¹Am的计数；

N_243Am：镀片上²⁴³Am的计数；

E：探测效率；

Y：回收率；

V：气溶胶体积，单位m³，

²³⁸U的活度浓度的计算公式为：

其中：

A_238U：待测气溶胶样品中²³⁸U活度浓度，单位Bq/m³；

A_232U：示踪剂²³²U加入量，单位：Bq；

N_238U：镀片上²³⁸U的计数；

N_232U：镀片上²³²U的计数；

E：探测效率；

Y：回收率；

V：气溶胶体积，单位m³，

²³⁴U的活度浓度的计算公式为：

其中：

A_234U：待测气溶胶样品中²³⁴U活度浓度，单位Bq/m³；

A_232U：示踪剂²³²U加入量，单位：Bq；

N_234U：镀片上²³⁴U的计数；

N_232U：镀片上²³²U的计数；

E：探测效率；

Y：回收率；

V：气溶胶体积，单位m³，

²³⁵U的活度浓度的计算公式为：

其中：

A_235U：待测气溶胶样品中²³⁵U活度浓度，单位Bq/m³；

A_232U：示踪剂²³²U加入量，单位：Bq；

N_235U：镀片上²³⁵U的计数；

N_232U：镀片上²³²U的计数；

E：探测效率；

Y：回收率；

V：气溶胶体积，单位m³。

本发明的有益效果在于，利用本发明的气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法，能够获得单气溶胶样品多核素分析结果，且稳定性较好，准确度高，减少气溶胶样品采集的工作量，并缩短核素分析的流程和时间。

附图说明

图1为示例性的本发明的气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法的流程图。

图2为实施例1中^239+240Pu、²³⁸Pu测量的α谱图。

图3为实施例1中²³⁴U、²³⁸U、²³⁵U测量的α谱图。

图4为实施例1中²⁴¹Am测量的α谱图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施例1：

示例性的本发明的气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法的流程如图1所示，包括如下步骤：

(1)在我国某地采集气溶胶样品(采样仪器为大流量采样器，流速1.0m³/min)，获取被测样品；

(2)将采集气溶胶后的滤膜样品剪成碎片放入坩埚，放入马弗炉中105℃下灼烧2h，然后升温至300℃下灼烧2h，升温至450℃下灼烧4-8h后冷却至室温；

(3)向被测样品中加入活度为0.03-1.0Bq的²⁴²Pu(或²³⁶Pu)、²³²U、²⁴³Am作示踪剂；

(4)向被测样品中加入氢氟酸浸泡过夜，在电热板上加热蒸干，冷却至室温；

(5)向步骤(4)得到的干样中加入7.5M硝酸，加热浸取1次，加热浸取后过滤，分别收集滤液和残渣；

(6)向步骤(5)得到的残渣中加入6M盐酸，加热浸取1次，加热浸取后过滤，将滤液与步骤(5)的滤液合并，加热，滴加过氧化氢褪色，冷却至室温；

(7)向步骤(6)得到的样品溶液中加入5-50mg的Fe³⁺载体溶液三氯化铁溶液，加入氨水调节pH值为9左右，生成砖红色沉淀，离心，收集沉淀，用7.5mol/L硝酸溶解残渣，最终体积控制为50mL；

(8)向步骤(7)得到的样品溶液中加入0.5mL 1mol/L氨基磺酸亚铁溶液还原15min，再加入0.5mL 4mol/L亚硝酸钠氧化15min，煮沸使过量的亚硝酸钠完全分解，冷却至室温；

(9)用7.5mol/L硝酸通过205×7型离子交换柱(床高15cm，直径1cm)；

(10)将步骤(8)得到的样品溶液以2mL/min的流速全部通过离子交换柱，依次用50mL 7.5mol/L硝酸和50mL 9mol/L盐酸淋洗柱子，收集样品流出液与7.5mol/L硝酸、9mol/L盐酸淋洗液，留作Am、U分析用，最后用0.36mol/L HCl-0.01mol/L HF解吸柱子中的Pu，收集Pu解吸液约70mL。

(11)将步骤(10)中样品流出液与7.5mol/L硝酸、9mol/L盐酸淋洗液蒸发至干，用NH₄SCN溶液测试Fe³⁺的存在，当测试为阳性(溶液出现血红色)时，加入几滴1M抗坏血酸以将Fe³⁺还原为Fe²⁺(溶液变为无色)；

(12)用10mL 2M HNO₃预平衡TRU柱；然后将样品溶液加载到TRU柱上，并用2×5mL的2M HNO₃洗涤；用10mL 2M HNO₃-4M NaNO₂冲洗柱，以氧化任何Pu³⁺(抗坏血酸还原Pu⁴⁺形成的)回到Pu⁴⁺；用5mL 1M HNO₃洗涤柱子；

(13)在柱子下端放一洁净容器，用20mL 4M HCl从TRU柱上洗脱Am，保留洗脱液；

(14)在柱子下端放一洁净容器，用20mL 0.1M草酸铵(NH₄)₂C₂O₄洗脱U，保留洗脱液。

(15)样品源的制备：将步骤(10)获得的Pu洗脱液、步骤(13)获得的Am洗脱液、步骤(14)获得的U洗脱液分别单独进行样品源制备与测量，具体步骤如下：

在洗脱液中加入5mL浓硝酸和1mL浓硫酸，置于电热板上加热蒸至白烟冒尽，取下冷却至室温，加入氨水调节pH为2.2左右，转移至电沉积装置中，用pH为2.2的溶液洗涤原盛放样品的烧杯三次，洗涤液转移到电沉积装置中，总体积控制为20-25mL。将电沉积装置于冷水浴中连通电源，在900-1200mA/cm²的电流密度下电沉积。在电沉积装置中加入1mL浓氨水(18mol/L)继续电沉积1min，断开电源，弃去电沉积液，依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤镀片，在红外灯下烘干，在低本底α谱仪上进行测量；

(16)被测气溶胶样品中Pu、Am、U含量的计算：根据示踪剂和被测核素的α谱仪计数及示踪剂已知活度，计算被测样品中Pu、Am、U的活度浓度。具体如下：

1)^239+240Pu的活度浓度：根据²⁴²Pu和^239+240Pu计数比值和²⁴²Pu(或²³⁶Pu)活度，计算被测样品中^239+240Pu活度浓度，计算公式见式(1)：

其中：

A_239+240Pu：待测气溶胶样品中^239+240Pu活度浓度，单位Bq/m³；

A_242Pu：示踪剂²⁴²Pu加入量，单位：Bq；

N_239+240Pu：镀片上^239+240Pu的计数；

N_242Pu：镀片上²⁴²Pu的计数；

E：探测效率；

Y：回收率；

V：气溶胶体积，单位m³，

2)²³⁸Pu的活度浓度：根据²⁴²Pu和²³⁸Pu计数比值和²⁴²Pu(或²³⁶Pu)活度，计算被测样品中²³⁸Pu活度浓度，计算公式见式(2)：

其中：

A_238Pu：待测气溶胶样品中²³⁸Pu活度浓度，单位Bq/m³；

A_242Pu：示踪剂²⁴²Pu加入量，单位：Bq；

N_238Pu：镀片上²³⁸Pu的计数；

N_242Pu：镀片上²⁴²Pu的计数；

E：探测效率；

Y：回收率；

V：气溶胶体积，单位m³，

3)²⁴¹Am的活度浓度：根据²⁴¹Am和²⁴³Am计数比值和²⁴³Am活度，计算被测样品中²⁴¹Am活度浓度，计算公式见式(3)：

其中：

A_241Am：待测气溶胶样品中²⁴¹Am活度浓度，单位Bq/m³；

A_243Am：示踪剂²⁴³Am加入量，单位：Bq；

N_241Am：镀片上²⁴¹Am的计数；

N_243Am：镀片上²⁴³Am的计数；

E：探测效率；

Y：回收率；

V：气溶胶体积，单位m³，

4)²³⁸U的活度浓度：根据²³⁸U和²³²U计数比值和²³²U活度，计算被测样品中²³⁸U活度浓度，计算公式见式(4)：

其中：

A_238U：待测气溶胶样品中²³⁸U活度浓度，单位Bq/m³；

A_232U：示踪剂²³²U加入量，单位：Bq；

N_238U：镀片上²³⁸U的计数；

N_232U：镀片上²³²U的计数；

E：探测效率；

Y：回收率；

V：气溶胶体积，单位m³，

5)²³⁴U的活度浓度：根据²³⁴U和²³²U计数比值和²³²U活度，计算被测样品中²³⁴U活度浓度，计算公式见式(5)：

其中：

A_234U：待测气溶胶样品中²³⁴U活度浓度，单位Bq/m³；

A_232U：示踪剂²³²U加入量，单位：Bq；

N_234U：镀片上²³⁴U的计数；

N_232U：镀片上²³²U的计数；

E：探测效率；

Y：回收率；

V：气溶胶体积，单位m³，

6)²³⁵U的活度浓度：根据²³⁵U和²³²U计数比值和²³²U活度，计算被测样品中²³⁵U活度浓度，计算公式见式(6)：

其中：

A_235U：待测气溶胶样品中²³⁵U活度浓度，单位Bq/m³；

A_232U：示踪剂²³²U加入量，单位：Bq；

N_235U：镀片上²³⁵U的计数；

N_232U：镀片上²³²U的计数；

E：探测效率；

Y：回收率；

V：气溶胶体积，单位m³。

采用本方法需要注意的是，提高Pu、Am、U的全程放化回收率以降低本方法的探测限，还有就是方法的稳定性。具体考查方法是：取实际采集气溶胶后的样品作被测样品，按照上述步骤(1)-(16)进行核素分析，并计算全程放化回收率的大小和回收率的标准偏差。

本实施例测定分析了6个气溶胶样品，测定结果列于如下表1-2，α谱图见图2-4。

表1 Pu、Am、U的全程放化回收率实验数据

表2实际气溶胶样品中Pu、Am、U联合分析实验结果

表1结果表明：采用205×7型阴离子交换树脂与TRU树脂可以实现气溶胶中Pu、Am、U的联合分析；Pu、U、Am的回收率分别为(85.4±7.6)％、(93.1±3.5)％和(88.5±6.3)％；本方法的回收率较高，Pu、U、Am回收率均高于80％以上；本方法的稳定性较好，回收率的标准偏差均优于10％。

依据表2的实验数据分析，本方法可以开展气溶胶样品中Pu、Am、U同位素测定，含量在10^-8～10^-9Bq/m³水平。气溶胶样品中^239+240Pu含量范围为0.02～0.96μBq/m³，²³⁸Pu含量范围为0.01～0.30μBq/m³，²³⁸U含量范围为0.08～0.31μBq/m³，²³⁴U含量范围为0.11～0.46μBq/m³，²³⁵U含量范围为<0.001～0.021μBq/m³，²⁴¹Am含量范围为0.07～0.25μBq/m³。

采用本方法需要注意的是，Pu、U、Am的分离纯化效果。具体考查方法是：取实际采集气溶胶后的样品作被测样品，按照上述步骤(1)-(16)进行核素分析，通过每种核素测量的α谱图来识别干扰核素的去除效果。

从图2-4可以看出：Pu、Am、U同位素的α能量峰的分辨率很好，其他干扰核素几乎全部被淋洗掉，说明该树脂能够很好实现待测核素与其他核素的分离。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种气溶胶中Pu、Am、U含量的联合分析方法，其特征在于，所述的联合分析方法包括如下步骤：

(1)样品采集与预处理：将采集的气溶胶样品灼烧后加入一定活度的²⁴²Pu或²³⁶Pu、²³²U、²⁴³Am作示踪剂；

(2)浸取：将被测样品在氢氟酸中浸泡后蒸干，加入硝酸加热浸取后，取过滤残渣加入盐酸加热浸取后，取滤液与硝酸加热浸取后的滤液合并；

(3)沉淀及溶解：在合并的滤液中加入Fe³⁺载体溶液，加入氨水调节pH值后进行沉淀，离心收集沉淀并用硝酸溶解；

(4)Pu价态调整：向步骤(3)溶解得到的溶液中先加入氨基磺酸亚铁溶液还原，再加入亚硝酸钠溶液氧化；

(5)阴离子交换树脂柱纯化及测量：将步骤(4)得到的样品溶液通过阴离子交换树脂柱，将收集的流出液与硝酸、盐酸淋洗液合并后用于Am、U的分析，收集HCl-HF溶液体系洗脱液蒸干并镀片电沉积制源后用于Pu的α谱仪测量；

(6)TRU树脂柱纯化及测量：在硝酸体系下将步骤(5)得到的用于Am、U的分析的合并溶液通过TRU树脂柱，依次用硝酸、硝酸-亚硝酸钠溶液体系、硝酸淋洗柱子后先用盐酸洗脱Am，再用草酸铵溶液洗脱U，将Am和U洗脱液分别蒸干并镀片电沉积制源后分别用于Am和U的α谱仪测量；

(7)含量计算：根据示踪剂和被测核素的α谱仪计数，及示踪剂已知活度，计算被测样品中Pu、Am、U的活度浓度，

其中：

步骤(5)中，所述的阴离子交换树脂柱为205型阴离子交换树脂柱，

步骤(6)中，先后淋洗柱子的硝酸的浓度分别为1-4mol/L和0.1-2mol/L；所述的硝酸-亚硝酸钠溶液体系中硝酸的浓度为1-4mol/L，亚硝酸钠的浓度为3-5mol/L；所述的盐酸的浓度为2-5mol/L；所述的草酸铵溶液的浓度为0.05-0.5mol/L。

2.根据权利要求1所述的联合分析方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的²⁴²Pu或²³⁶Pu、²³²U、²⁴³Am的活度各自独立的为0.03-1.0Bq。

3.根据权利要求1所述的联合分析方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的硝酸的浓度为3-10mol/L，加入体积为25-200mL；所述的盐酸的浓度为3-9mol/L，加入体积为25-200mL。

4.根据权利要求1所述的联合分析方法，其特征在于：步骤(3)中，所述的加入氨水调节pH值为调节pH值至8-9。

5.根据权利要求1所述的联合分析方法，其特征在于：步骤(4)中，所述的氨基磺酸亚铁溶液的浓度为0.5-2mol/L，还原时间为5-20min；所述的亚硝酸钠溶液的浓度为3-5mol/L，氧化时间为5-20min。

6.根据权利要求1所述的联合分析方法，其特征在于：步骤(5)中，所述的硝酸的浓度为7-8mol/L；所述的盐酸的浓度为7-10mol/L；所述的HCl-HF溶液体系中HCl的浓度为0.2-0.4mol/L，HF的浓度为0.005-0.002mol/L。

7.根据权利要求1所述的联合分析方法，其特征在于：步骤(5)和步骤(6)中，所述的电沉积的电流密度为500-1200mA/cm²，时间为0.5-3h。

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