Лабораторная работа: Экспрессный радиохимический анализ водных сред с применением сорбционного концентрирования
В простейшем случае количественного концентрирования единственного радионуклида на одном сорбенте граничное условие по допустимому объему анализируемой пробы раствора V пр может быть записано:
V ïð £ VmR - b/2
(иными словами это условие означает реализацию емкости сорбента до "проскока" определяемого радионуклида через хроматографическую колонку). Если найденное значение V пр недостаточно для достижения требуемого коэффициента концентрирования (Кк =АV (C) /АV (о) = Vпр /Vс , где АV (C ), АV (о) - объемная удельная активность сорбента и анализируемого раствора соответственно), необходимо увеличить объем сорбента или выбрать другой сорбент, обеспечивающий достижение более высоких Kd . Величину /2 проще всего оказывается определить экспериментально в каждом конкретном случае.
При индивидуальном выделении радионуклидов из их смеси на отдельных сорбентах каждый тип сорбента или экстрагента выбирается по принципу максимальной селективности к определенному элементу. При этом для всех остальных элементов по отношению к этому сорбенту должно выполняться условие Kd < 1. Рассмотрим принцип подбора сорбентов и выбор порядка их последовательного расположения на конкретном примере индивидуального выделения цезия и стронция методом экспрессного хроматографического радиохимического анализа
Долговременное загрязнение искусственными радионуклидами обширных территорий России после ядерных катастроф на Чернобыльской АЭС и ПО "Маяк" в основном обусловлено долгоживущими продуктами деления Cs-137 и Sr-90. Санитарно-гигиенический норматив для России по допустимому содержанию в питьевой воде Cs-137 установлен на уровне 3,7 Бк/л, для Sr-90 - 0,37 Бк/л (ВДУ-91), аналогичный норматив в США для обоих радионуклидов составляет 0,037 Бк/л. Основным требованием к методу радиохимического анализа является обеспечение чувствительности на уровне 0,1 от допустимого содержания, что составляет в данном случае 0,37-0,037 Бк/л. Инструментальные методы контроля на сегодняшний день не в состоянии обеспечить непосредственное определение радионуклидов в водных средах с указанным нижним пределом обнаружения. По этой причине более оправдано применение радиохимических методов анализа, сочетающих концентрирование, разделение и измерение радионуклидов.
Для выделения Cs наиболее оправдано применение ферроцианидов тяжелых металлов, характеризующихся по отношению к нему наивысшей специфичностью (Кd > 105 мл/г) из всех известных органических и неорганических сорбентов. Специфичность ферроцианидов сохраняется при извлечении Cs из вод любой минерализации, включая морскую воду, в широкой области рН. При этом ферроцианиды не сорбируют из водных растворов с любой кислотностью щелочно-земельные элементы, в том числе и стронций, а в кислых растворах при рН 3 не сорбируют и редкоземельные элементы (напомним, что Y-90 является дочерним радионуклидом Sr-90, имеет T 1/2 =64 часа и поэтому его сорбционные характеристики должны учитываться при выборе схемы радиохимического анализа водных сред). В традиционных схемах анализа не удается избежать разделения стронция и иттрия, что увеличивает время анализа как минимум на две недели, так как именно это время необходимо на восстановление радиоактивного равновесия в цепочке Sr-90 - Y-90 перед измерением активности концентрата Sr-90.
Этого недостатка лишена двухступенчатая схема комплексного радиохимического анализа, которая предусматривает групповое выделение на неселективном коллекторе радионуклидов Sr-90 и Y-90 непосредственно из фильтрата пробы после ее прохождения через селективный сорбент для радионуклидов цезия. В качестве сорбента для совместного выделения стронция и иттрия из слабосолевых растворов может быть использован сильнокислотный катионит типа КУ-2, для которого при рН 2 Kd для стронция составляет не менее 103 мл/г и 104 мл/г для иттрия. Из изложенного следует, что при анализе питьевой воды проба должна иметь кислотность в интервале рН 2¸3. Уменьшение рН ниже 2 не желательно, так как при этом резко уменьшается Kd для стронция и иттрия при сорбции их КУ-2, а при рН > 3 иттрий начинает поглощаться ферроцианидным сорбентом. При отборе проб для анализа обязательно проводится их консервация для исключения сорбционных потерь определяемых радионуклидов на стенках посуды и при выделении осадков труднорастворимых гидроксидов и карбонатов за время транспортировки и хранения пробы до ее обработки. Консервацию пробы достигают введением кислоты до рН =2¸3, что как раз соответствует выбранным условиям хроматографического разделения цезия и стронция.
Практическая часть:
1. Прокачиваем 1 л раствора содержащего Cs и Srчерез последовательно соединенные хроматографические колонки, заполненные сорбентами НКФ-Ц и КУ-2. После пропускания всего объема раствора cорбенты выгружаем из колонки, сушим, засыпаем в измерительные кюветы и измеряем скорость счета на β и γ радиометрах. Данные заносим в таблицу № 1.
Таблица № 1:
НКФ-Ц | КУ-2 | |||||||
в | у | в | у | |||||
I | I ср | I | I ср | I | I ср | I | I ср | |
фон | 259 | 251 | 4823 | 5001 | 205 | 221 | 5061 | 5045 |
244 | 4905 | 219 | 4987 | |||||
251 | 5274 | 240 | 5087 | |||||
эталон | 2211 | 2209 | 8567 | 8523±285 | 1453 | 1457 | 5001 | 5108±141 |
2216 | 8290 | 1441 | 5110 | |||||
2201 | 8711 | 1476 | 5213 | |||||
проба | 2150 | 2130 | 8654 | 8480±207 | 1398 | 1407 | 5500 | 5370±151 |
2114 | 8432 | 1423 | 5320 | |||||
2125 | 8354 | 1401 | 5290 |
2. Рассчитаем погрешности, занесем их в таблицу № 1.
3. С учетом погрешностей рассчитаем:
I э = I с - I ф - скорость счета эталона за вычетом фона;
I к = I ¢ к - I ф - скорость счета пробы за вычетом фона;
К сч = I э / А э - Коэффициент счетности;
А к =I к /К сч - абсолютную активность;
- выход в концентрат;
- коэффициент концентрирования;
- коэффициент очистки;
- радионуклидная чистота концентрата цезия;
- радионуклидная чистота концентрата стронция;
Расчеты занесем в таблицу № 2
Таблица № 2
Cs | Sr | |||
в | у | в | у | |
Iэ | 19,58 | 352, 20 | 12,35 | 6,30 |
Iк | 18,78 | 347,93 | 11,86 | 32,50 |
Ксч | 0,13 | 2,35 | 0,15 | 0,08 |
В | 0,96 | 0,99 | 0,96 | 5,16 |
Ак | 141 | 148 | 80 | 428,17 |
РНЧ | 102,98 | -437,33 | ||
Кк | 2,40 | 2,47 | 0,64 | 3,44 |
Коч | 24,58 | 82,55 | 25,04 | -0,24 |
Вывод
В данной работе был изучен метод экспрессной сорбционной хроматографии, при определении Cs-137 и Sr-90 в воде при их совместном присутствии.
Была смоделирована ситуация анализа пробы, содержащей значительные количества изучаемых радионуклидов. Эту методику можно использовать при необходимости контроля содержания Cs-137 и Sr-90 в водопроводной воде.
В воду были внесены Cs-137, А (Cs) = 150 Бк/л. и Sr-90, А (Sr) = 83 Бк/л.
По полученным данным были рассчитаны экспериментальные активности:
Ак (Sr) =80Бк/л, Ак (Cs) =143Бк/л. Различии значений активности объясняются присутствием Сs а также Y90 .