Многоэлементный анализ химических элементов в пробах почвы с помощью инструментального нейтронно-активационного метода

АННОТАЦИЯ

В данной статье приведены результаты анализов химических элементов в почве с помощью инструментального нейтронно-активационного метода. Концентрацию химических элементов в почвах можно определить с помощью различных методов анализа в зависимости от поставленной аналитической задачи. Из ядерно-физических методов анализа химических элементов в почве нейтронно-активационный анализ имеет явное приимущество по сравнению с химическими и физико-химическими методами. Нейтронно-активационный метод анализа химических элементов в почве является многоэлементным, инструментальным, экспрессным и информативным методом анализа.

ABSTRACT

This article presents the results of analyzes of chemical elements in soil using the instrumental neutron activation method. The concentration of chemical elements in soils can be determined using various methods of analysis, depending on the analytical task. Of the nuclear-physical methods for the analysis of chemical elements in the soil, neutron activation analysis has a clear advantage over chemical and physicochemical methods. The neutron activation method for the analysis of chemical elements in soil is a multielement, instrumental, express and informative method of analysis.

Ключевые слова: нейтронно-активационный метод анализа, Кларковое число, корреляция, загрязненность почвы, горные породы, гамма-спектрометр, хвостохранилище, техногенные отходы.

Keywords: neutron activation method of analysis, Clarke number, correlation, soil pollution, rocks, gamma spectrometer, tailing dump, man-made waste.

Введение. Анализ химических элементов в почвах в районе влияния горно-металлургических производств необходим для контроля различных природоохранных процессов – оценки величин загрязнения почвы, поверхностных вод, атмосферного воздуха, а также изучения локального распределения химических элементов и их миграции. Для анализа концентрации химических элементов в данных объектах окружающей среды химические, физические и физико-химические методы не всегда соответствуют предъявляемым требованиям экспрессности, точности и чувствительности. По этой причины исследование возможностей и разработка многоэлементного инструментального нейтронно-активационного анализа – ИНАА проб почвы в районе влияние горно-металлургического предприятия является актуальной задачей аналитической химии, ядерной физики и радиоэкологии [1; 2; 4; 7; 6].

Техника и методы эксперимента. Для определения концентрации химических элементов в почве в районе влияния горно-металлургического предприятие использован реактор ВВР-СМ ИЯФ АН РУз с выходом нейтронов 5*10¹³нейтр/сек*см², ²⁵²Cf – ампульный источник нейтронов с выходом 1*10⁹нейтр/с и ¹²⁴Sb-Be – источник нейтронов с выходом 1*10⁸ нейтр/с для облучения проб. Концентрацию элементов определяли гамма-спектрометрическим измерением наведенной активности с использованием стандартных образцов с известным содержанием исследуемых элементов. Гамма-спектрометр состоит из Gе (Li) – детектора с разрешающей способностью 2,7 кэВ по линии 1170 кэВ ⁶⁰Со и многоканального программируемого анализатора типа LP-4900В. Исследовали воспроизводимость методики путем 5-кратного повторения однотипных проб на примере сурьмы. Определено, что при этом среднеквадратическое отклонение средних результатов составляет не более 10 относительных процентов.

Полученные результаты и их обсуждение. Образцы почвы высушивали при температуре 105 °С до постоянного веса, навески высушенных проб составляли 150 г, из них три по 10 г завернули в алюминиевую фольгу и разместили в канал реактора. А для облучения в контейнере нейтронных источников из них три по 70 г упаковывали в полиэтиленовые пакеты и разместили в канал. Анализ проб почвы проводился в двух временных режимах облучения и измерения. Для анализа химических элементов (As, La, Sm, W, Au, U) по средне живущим радионуклидам время облучения составляет 1 час, а время «остывания» – 3 дня. При анализе элементов (Sc, Fe, Co, Ni, Rb, Ag, Sb, Cs,Ce, Eu, Tb, Lu, Hf, Hg) по долгоживущим РН время облучения составляет 10 часов, а время «остывания» – 20 дней.

Имеются возможность и опыт по применению ²⁵²Cf и ¹²⁴Sb-Be-источников нейтронов для проведения анализа химических элементов методом ИНАА в заводских условиях. Так как ²⁵²Cf и и¹²⁴Sb-Be-источники нейтронов спонтанного деления нашли большое практическое применение из-за мобильности и возможности изготовления портативных, практически точечных источников с большим выходом нейтронов, в ИЯФ АН РУз были сконструированы и разработаны малогабаритные установки на базе ²⁵²Cf и ¹²⁴Sb-Be-источников нейтрона и установлены в ЦНИЛ. Именно на этих установках выборочно проведено облучение более 200 проб почвы, и в них определены концентрации химических элементов, приведенные в табл. 1. Сопоставлены пределы определения химических элементов, полученные на ²⁵²Cf и ¹²⁴Sb-Be-источниках нейтронов, с результатами, полученными на реакторе ВВР-СМ ИЯФ АН РУз.

Как видно из полученных результатов (табл. 1), пределы определения химических элементов ниже на реакторе ВВР-СМ ИЯФ АН РУз чем на ²⁵²Cf и ¹²⁴Sb-Be-источниках нейтронов. Здесь главным фактором, влияющим на пределы определения, являются потоки нейтронов, исходящих из этих источников.

Таблица 1.

Основные характеристики и пределы определения химических элементов в почвах

На основе полученных результатов построена графическая зависимость между Кларковым содержанием (среднее значение) химических элементов и коэффициентом обогащения определенных элементов в почвах, отобранных в районе влияния гидрометаллургического завода.

Рисунок 1. Графическая зависимость между Кларковым содержанием (среднее значение) химических элементов и коэффициентом обогащения определенных элементов

Здесь 1 – кривая результатов анализов проб почвы, отобранных из хвостохранилища № 1; 2 – кривая результатов анализов проб почвы, отобранных из хвостохранилища № 2; 3 – кривая результатов анализов проб почвы, отобранных из прилегающих зон; 4 – кривая результатов анализов проб почвы, отобранных из карьера.

Анализ состояния почв вокруг техногенного объекта показывает (рис. 1), что частичное обогащение почв техногенными элементами проходило в начале деятельности карьера, когда глубина карьера составляла до 200 м. При этом наблюдается распространение взрывной пыли и ее осаждение на значительное расстояние и территории, что обуславливает загрязнение почвы. Величина техногенного загрязнения зависит от мощности взрыва, от глубины отрабатываемого карьера, от направления и силы ветра, от продолжительности эксплуатации карьера и других факторов.

Для оценки техногенного влияния гидрометаллургического завода на состояние почвы исследовано локальное распределение химических элементов вокруг этих объектов. На рис. 2 приведен наглядный пример распределения химических элементов, зависящего от расстояния от источника загрязнения.

Рисунок 2. Изменение средней концентрации техногенно-образованных элементов от расстояния до источника загрязнения

Здесь 1 – кривая К_об мышьяка, 2 – кривая К_об золота, 3 – кривая К_об серебра, 4 – кривая К_об скандия.

Как видно из рис. 2, средняя концентрация элементов 1 и 2 (мышьяк и золото) от расстояния до источника загрязнения уменьшается и на определенном расстоянии, в нашем случае более 4 км, их концентрация равняется Кларкам. А у 3 и 4 (серебро и скандий) с увеличением расстояния их Кларк не меняется. Это означает, что на расстоянии более 4 км воздействие техногенных объектов в экосистему максимально уменьшается.

Из этих химических элементов мышьяк и золото являются техногенными, а серебро и скандий являются реперными.

На основании полученных результатов и расчетов построены зависимости (рис. 3) коэффициентов корреляции химических элементов на точки отбора проб.

Рисунок 3. Влияние коэффициентов корреляции химических элементов на точки отбора проб

Как видно из рис. 3, коэффициенты корреляции химических элементов в различных точках отбора проб различается между собой. Из всех точек наблюдений в точке Х2 коэффициенты корреляции исследуемых химических элементов имеют максимальное значение. Коэффициенты корреляции между La-Lao во всех точках наблюдений имеют максимальную схожесть, чем между Au-As, As-Sb, Au-Sb.

Таким образом, на основании проведенных исследований по многоэлементному анализу химических элементов в пробах почвы с помощью инструментального нейтронно-активационного метода установлена возможность применения реактора ВВР-СМ АН РУз, ¹²⁴Sb-Be и ²⁵²Cf-источников нейтронов. Найдены пределы определения, коэффициенты обогащения и коэффициенты корреляции между 22 элементами в пробах, отобранных из исследуемых точек.

Список литературы:

1. Алов Н.В., Василенко И.А., Гольдштрах М.А. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа. Т. 2. – М. : Academia, 2010. – 410 с.
2. Жебентяев А.И., Жерносек А.К., Талуть И.Е. Аналитическая химия. Химические методы анализа : учеб. пособие. 2-е изд. – М. : ИНФРА-М, 2011. – 542 с.
3. Исследование техногенного влияния хвостохранилища ГМЗ-2 на окружающую среду / А.М. Музафаров, Н.Б. Хужакулов, Б.Р. Темиров, Г.С. Саттаров // Горный вестник Узбекистана. – 2016. – № 3 (66). – С. 106–113.
4. Кулматов Р.А., Кист А.А., Каримов И.И. Нейтронно-активационная оценка распределения элементов в водах // ЖАХ. – 1980. – Т. 35. – № 2. – С. 254–259.
5. Методы оценки техногенного влияния хвостохранилищ промышленных предприятий на окружающую среду / А.М. Музафаров, Г.С. Саттаров, В.Е. Латышев, Ф.М. Кадиров // Горный вестник Узбекистана. – 2002. – № 2. – С. 173–178.
6. Музафаров А., Темиров Б.Р., Саттаров Г.С. Оценка влияния техногенных факторов на экологию региона // Горный журнал. – М., 2013. – № 8 (1). – С. 65–68.
7. Музафаров А.М., Василенок О.П., Шмакина М.Г. Полувековая интеграция производства и науки между ГМЗ-1 и ЦНИЛ // Горный вестник Узбекистана. – 2014. – № 59 (4). – С. 29–33.
8. Музафаров А.М., Саттаров Г.С., Кист А.А. Нейтронно-активационный анализ золота и сопутствующих элементов в технологических продуктах с использованием ²⁵²Сf-источника нейтронов // Горный вестник Узбекистана. – 2007. – № 2 (29). – С. 92–95.
9. Музафаров А.М., Саттаров Г.С., Кист А.А. Опыт применения ядерно-физических методов в горно-металлургическом производстве // Горный вестник Узбекистана. – 2015. – № 60 (1). – С. 120–124.
10. Новый способ рекультивации загрязненных радионуклидами почв участков подземного выщелачивания урана / Г.М. Аллаберганова, С.М. Туробжонов, А.М. Музафаров, Р.М. Аллаяров // Universum: технические науки. – М., 2020. – Вып. 6 (75). – Ч. 2. – С. 91–96.