中子物料多元素含量快速检测方法的研究

发布时间：2020-07-17 14:36

【摘要】：环境污染是目前全世界面临的最大问题之一,回顾历史发展进程,经济越发达,环境污染越严重。然而,国家对于污染一直以来被动的采取“先污染,后治理”方式,更加使得环境质量急剧下降。虽然近年来人们的环保意识不断加强,国家在环境保护上的投入也越来越多,但在经济利益的驱使下,每天仍然有大量的污染源对环境产生着严重的破坏。在2010年《第一次全国污染源普查》报告中显示,各类源废水排放总量超过2000亿吨,废气排放总量达到637203.69亿立方米,主要污染物排放总量分别为:化学需氧量超过3000万吨,氨氮量超过107万吨,重金属0.09万吨,总氮472.89万吨,总磷42.32万吨,二氧化碳2320万吨,氮氧化合物1797.70万吨。面对这些天文数字般的污染物排放,我们亟需从污染源头进行治理,实现“先治理,后监测”,才能使环境质量逐步改善。本文利用瞬发伽玛射线中子活化分析方法(Prompt Gamma-ray Neutron Activation Analysis,简写为PGNAA)进行多元素分析,模拟检测了土壤和水中镉、砷、铬、铅四种重金属含量以及煤炭中碳、氢、氧、氮、硫五种元素含量的可行性。为验证模拟结果,本文设计了针对煤炭的多元素含量快速检测实验装置。此装置可以快速分析出煤炭中各种元素含量,与模拟的结果相吻合。如果将此套装置应用于燃煤企业,可以帮助企业快速的进行煤质分析,从而采取相应措施减少污染气体的排放和废弃物的处理等,对空气质量的改善和环境保护具有重要指导意义。本文主要工作内容有以下几项:(1)利用MCNP(蒙特卡洛)模拟,研究了PGNAA法检测土壤与水中镉、砷、铬、铅等重金属含量以及煤炭中碳、氢、氧、氮、硫五种元素含量可行性,从模拟结果可以看出,PGNAA法对于土壤中的重金属含量以及煤炭中碳、氢、氧、氮、硫具有很好的检测效果。(2)为了验证模拟结果,设计了针对煤炭的多元素含量快速检测实验装置,实现了煤炭中多元素含量的快速检测。具体工作有:(a)优化设计了实验装置的中子防护体,确保操作人员安全。由于中子不带电荷,不受原子内部电场的作用,可以非常接近原子核。当中子进入人体后,与体内的原子核作用能够产生?、?、?三种射线,对人体的危害非常大。利用MCNP模拟结果显示,当以聚乙烯为中子防护材料,其厚度超过61cm时,实验装置周围的中子辐射剂量满足辐射防护标准的要求。(b)利用铅屏蔽干扰伽玛射线,有效提高检测精度。由于BGO(锗酸铋)探测器周围以及中子防护体(聚乙烯)中都含有大量的碳、氢、氧等元素,它们与中子发生器产生的快、热中子作用所产生的伽玛射线混杂在煤炭样品与中子作用产生的特征伽玛射线中,影响元素含量的检测精度。因此,在实验装置结构中,为BGO探测器设计了一个内径、外径、高分别为5cm,23cm以及20cm的铅桶,既能屏蔽进入BGO探测器的干扰伽玛射线,又能快速降低14MeV中子的能量,使大部分14MeV中子在进入BGO探测器时的能量已经低于氧元素与快中子发生非弹性散射反应的阈值(6.4MeV),从而降低了BGO探测器探测到氧元素特征伽玛射线能谱的本底,提高检测精度。(c)提高数据处理精度。在对实验数据处理的过程中,发现碳、氧两种元素的含量虽然可以利用全谱中的特征伽玛射线计数来计算,但是由于全谱中有大量的辐射俘获产生的伽玛射线,计算结果误差较大,达不到工业用煤的要求。通过大量的模拟计算,最终选择利用全谱和辐射俘获谱之差得到的非弹性散射谱作为碳元素和氧元素含量计算的标准,提高了碳、氧两种元素的检测精度。利用全谱、辐射俘获谱中的氢元素特征伽玛射线之和计算氢元素含量,提高了氢元素的检测精度。(d)制作60组标准煤炭样品用以实验。由于煤炭多元素含量快速检测实验装置在检测元素含量时是相对检测,需要利用元素含量已知的标准煤炭样品来修正计算公式。为了降低成本,本文向元素含量已知的煤炭中加入一定量的石墨、聚丙烯、硫、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、碳酸钙、二氧化钛、碳酸钠、碳酸钾、三聚氰胺以及乙二醇等化学性质稳定的原料,配制出碳、氢、氧、氮、硫、硅、铝、铁、钙、钠、钾、钛等元素含量已知的60组标准煤炭样品,用以实验。基于上述工作,我们设计的煤炭多元素含量快速检测实验装置,可以快速、准确的检测出煤炭中主要元素的含量,对于中子和伽玛射线的防护也达到了辐射防护标准的要求,确保了操作人员的安全,具备安装在大型燃煤企业实际使用的条件。利用同样的原理,我们可以针对此套装置进行改进,将其应用在工业废水中重金属的检测、土壤中重金属的检测等领域,为企业改善工作流程,提高污染气体以及工业废水的处理工艺提供快速必要的数据支持,从而达到改善大气质量,减少土壤以及水源污染程度,降低环境污染的目的。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X830

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