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腐殖酸及酸雨对贫铀在土壤中迁移的影响研究

李娟

  天然铀中235U占0.714%。贫铀(DU)是天然铀提取235U以后留下的副产品,235U含量仅为0.2%~0.3%。DU的放射性强度约为天然铀的60%,主要发射α、β粒子,并伴随有?射线,具有放射毒性和重金属毒性。DU密度大、韧度高、造价低,在军事上被大量用于制造穿甲弹、燃烧弹以及坦克装甲。在1991年的海湾战争中,美国首次使用了贫铀弹,用量达94万枚;此后,又在1994年至1995年的波黑战争和1999年的科索沃战争中投掷近5万枚贫铀弹。参加过作战任务的士兵相继患上了长期疲劳、肌肉疼痛、失眠、头晕、脱发、精神恍惚等怪病,被称为“海湾战争综合症”和“巴尔干综合症”,有许多报道怀疑该综合症和贫铀弹的使用有关。 DU属于长寿命核素,半衰期长达4.49×109年。虽然贫铀武器对人体产生的外照射剂量很小,但是其一旦燃烧,形成的气溶胶被吸入后,会在体内蓄积,产生内照射及重金属毒性,将带来长期的危害。贫铀气溶胶经过长时间的沉降最终落入土壤表面或水体,还有大约70%~80%的贫铀弹头钻入了地下,长期存在于土壤中的DU有可能通过迁移进入地下水,并转移到动植物体内,通过食物链危害人类的健康。所以有必要研究DU在土壤中的迁移规律,以便采取有针对性的修复措施。 本实验进一步完善了DU在土壤中迁移的实验室模型,利用ICP-MS技术建立了土壤中U浓度及235U/238U比值的分析方法,应用所建的实验室模型研究了腐殖酸(HA)及酸雨对DU在土壤中迁移规律的影响。 一、DU在土壤中迁移的实验室模型改进 元素迁移研究主要有实验室模拟和野外现场实验,其中实验室模拟占有重要地位,它可以通过控制不同的实验条件,研究各种环境因素对元素迁移的影响,这是野外现场实验无法做到的。 本研究对已建的实验室模型进行了进一步改进。原模型所用循环柱采用普通玻璃制作而成,φ30mm×400mm,蠕动泵提供动力将贮液瓶内的液体从循环柱的底端输送到上端,淋洗液在实验过程中是循环使用的。用该装置模拟20年DU在土壤中的迁移深度最大不超过8cm,而我国一贫铀模拟实验舱周围土壤中DU至少迁移至25cm的深度,实验结果与现场测量结果相差较大,因此,对模拟循环装置进行了改进。 改进后的模拟装置采用有机玻璃材质,结实耐用;为了更好的模拟自然界降雨淋溶土壤,应尽可能扩大淋溶的横截面积,但是增加了实验需要的土壤量及装填柱子的工作量,综合考虑,将有机玻璃柱内径扩大至50mm;有机玻璃柱总长350mm,分为七节,每节长50mm,以便于分层取样及清洗;淋入液流速先通过调节蠕动泵的转速进行粗调节,再通过调节流量计流量进行更精确的调节;实验中淋出液不再循环使用,一方面考虑到淋出液pH值、元素含量与淋入液不同,会影响实验结果,另一方面便于监测实验过程中淋出液pH值和U含量及235U/238U的变化,以便确定何时DU迁移出土壤进入淋出液。 二、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)检测土壤中铀元素浓度和235U/238U比值的方法确立 土壤样品基体复杂, U元素在土壤中含量属痕量范畴。要准确测量铀元素浓度和235U/238U比值并非易事。传统的分析方法主要包括α、γ谱测量法、中子活化分析法、液体闪烁法、固体径迹法等,这些常规的放化测量方法操作程序复杂,计数时间长,对于大量样品的测量更没有优势,而且易受环境中天然放射性元素的干扰,其测量的灵敏度不高。相比之下, ICP-MS技术可同时进行同位素浓度和比值的测定,具有测量快速、灵敏度高、检测限低、干扰少等优点。因此,实验利用ICP-MS测量土壤中U浓度及235U/238U比值。 土壤前处理采用灰化-酸解的方法:将100mg土壤置于箱式电阻炉450℃下灰化2h,待冷却至室温后取出,将灰化后的土壤转移至Teflon罐中,加入4ml HNO3、2ml HF,于电热板上在120℃下酸解、赶酸,至罐内液体大约为0.5ml时取出,待冷却后,用Milli-Q超纯水稀释至50.0g,过滤后由ICP-MS测量。样品采集使用在线加入内标法,通过内标管引入1μg/ml的Pt内标溶液,从而使样品和内标溶液采集量的比值保持相对恒定,以降低由于仪器波动造成的系统误差,消除基体效应。235U、238U、195Pt的采集时间分别为1.5s、0.3s和0.1s,采集次数为5次。 在0~320μg/L范围绘制的标准曲线其线性相关系数r=0.9997,在0~80μg/L范围绘制的标准曲线线性相关系数r=1.0000,标准溶液在此范围内检测的准确性较好。该方法的检出限为0.0063μg/L,精密度为0.71%。测量三种国家标准土壤,其检测值均在标准参考值范围内,说明所建方法准确性良好。 三、腐殖酸(HA)及酸雨对DU在土壤中迁移的影响研究 贫铀在土壤中的迁移会受到贫铀的化学性质、降雨、土壤结构等各种因素的影响。HA是一类广泛存在于土壤、水体和沉积物中的高分子化合物,其结构复杂、比表面积大、带有酚基、羧基、醇羟基、甲氧基、羰基等多种活性基团,具有较强的络合和吸附能力,能与环境中的铀发生吸附和络合反应,所形成络合物的迁移性取决于络合物与土壤的相互作用。因此,HA的环境行为对贫铀的迁移起着重要的作用。目前酸雨已经成为全球性的环境问题,受到了普遍重视。研究表明,酸雨将引起土壤pH和盐基饱和度的降低以及金属阳离子淋溶强度增大,其影响程度与土壤性质密切相关。酸雨降落在重金属污染的土壤上,可能使重金属离子淋溶加强,因此,酸雨也势必会对DU在土壤中的迁移造成影响。 利用实验室模型研究了不同含量的HA、不同pH值的酸雨对DU迁移的影响。结果表明:对照组(pH=5.6的模拟降雨淋溶没有添加HA的北京地区土壤)DU迁移到达9~11cm,添加2%HA、5%HA、10%HA的实验组DU迁移加深,分别为21~23cm、15~17cm、11~13cm;pH为4.0和3.0的模拟酸雨,分别使贫铀在土柱内迁移至29~31cm及35cm以上;在酸雨和腐殖酸综合作用下贫铀迁移仅到5~7cm;酸雨淋溶后土壤的酸碱度变化不大。 本实验中添加HA可以促进贫铀的迁移,并且随着HA用量的增加,这种促进作用会减弱;酸雨的淋溶能明显促进DU的迁移,酸度越大,促进作用越强;用pH=4.0的酸雨淋溶添加5%HA的土壤,DU的迁移被抑制;短时间内酸雨对碱性土壤的酸碱度影响不显著;实验室模型模拟DU在土壤中的迁移情况基本上与现场检测情况一致,说明模型设计的基本是成功的。……   
[关键词]:贫铀;模型;腐殖酸;酸雨;ICP-MS
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:中国人民解放军军事医学科学院2011年
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