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 £ V_mR ^- 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 (К_к =А_{V (C)} /А_{V (о)} = V_пр /V_с , где А_{V (C ),} А_{V (о) -} объемная удельная активность сорбента и анализируемого раствора соответственно), необходимо увеличить объем сорбента или выбрать другой сорбент, обеспечивающий достижение более высоких K_d . 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 K_d < 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 (К_d > 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 K_d 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 K_d 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:

А_к (Sr) =80Бк/л, А_к (Cs) =143Бк/л. Различии значений активности объясняются присутствием Сs а также Y⁹⁰ .