放射性核素铯在土壤中的迁移

• 实验装置 实验土柱用对Cs 吸附较少的有机玻璃制成, 柱 的内径为2.8cm, 有效长度为3.0cm, 柱子底部 有孔板可过水并且防止土壤流失。柱中装有 包气带土壤样, 装土样时, 在野外直接将原状 土压入有机玻璃柱中, 使其性质尽量接近原状 土。有机玻璃柱上端有塞子, 塞紧,保证柱内水 在恒流泵压力下不向上溢出。塞子中间有一 小孔, 可以插入注液导管, 导管插紧后水不会 溢出。导管为对Cs 较少吸附的聚乙烯。
137Cs
在土壤中的吸附固定
• 研究表明， 137Cs在土壤中的吸附(主要是细颗 粒物质和有机质组分) 是快速而强烈的。Ow ens 进行10个月降雨的实验模拟，结果表明， 一旦137Cs 和土壤接触，就被土壤颗粒强烈吸附 而固定，几乎没有任何渗滤损失。在砂性和粉 砂性土壤中分别有37% 和40% 的137Cs 存在于表 面5 cm 以内，分布浓度呈指数下降。数学模型 模拟137Cs在森林土壤中的行为，结果表明： 137Cs早期的渗透速率很快, 但达到15～ 16 cm 时就已经停滞。主要是被土壤中的云母、蛭石、 伊利石和蒙脱石等吸附或固定。
铯元素的基本性质
• 铯的原子序数为55，元素周期表中IA族，属 于碱金属元素，为第六周期的第一个元素
铯原子电子层
137Cs的辐射特性
137Cs的蜕变链
137Cs的衰变纲图
土壤中137Cs的来源
• 核试验产生的137Cs 137Cs 在土壤中的分布是大气核试验和核泄 漏事故的结果。大气核试验的局部放射性沉 降早在1945年第一颗原子弹爆炸时就已经开 始, 而全球范围的核素沉降却始于1952年末。 1958年至1968年是137Cs 的主要沉降期, 其中 大约85% 的137Cs 是在1961年至1968年期间的 核试验产生，137Cs 全球沉降的主要峰值时期 是在1958年、1963～ 1964年。
• (2) 氚水实验穿透曲线 在(1) 中的流速下, 当柱子的进出水达到稳定状态时, 用 恒流泵以该流速连续从柱子顶端注入氚水,对氚水流出 液用液闪进行分析, 将分析结果绘成C/ C0( C-注入氚水 浓度, C0- 流出液中氚水浓度) 随流出体积的关系图。 弥散系数D 可以用下式计算: D=ν2(t0.84-t0.16)2 /8t0.5 式中： t 0.16—流出液浓度达到注入浓度0.16 倍的时间; t 0.5—流出液浓度达到注入浓度0.5 倍的时间; t0.84 — 流出液浓度达到注入浓度0.84倍的时间; ν— 柱中水的实际流速。 弥散度用下式计算： 弥散度： a=D/ν
137Cs可以用来杀死食物内的细菌和微生物，
从而增加食物储存的时间，这方法有抑制发 霉和保持新鲜的效果，经辐射处理的食物不 会带放射性或残留有毒物质。 137Cs也用於监 测工业产品的重量、厚度和密度，以及探测 焊接点和金属管道的裂缝。
• 实验装置图
• 实验方法 (1) 氚水流出曲线 用恒流泵在土柱中注入实验用水, 进行长时间 淋洗, 使水相与土壤达到平衡, 柱子水流通畅。当 柱子的进出水达到稳定状态时, 用恒流泵从柱子 顶部瞬时注入适量氚水, 继续用沟水淋洗。从注 入氚水那时开始对柱子的流出液定时取样, 每分 钟取一个样。对氚水流出液用液闪进行分析, 将 分析结果汇成放射性强度对体积的关系图, 即氚 水流出曲线。 知道土柱有效长度L 和氚水流出曲线峰所对应 的时间t , 可算出柱中水的实际流速: ν= L/t
137Cs在土壤中的迁移
核素(nuclides)的概念
• 核素：具有特定质子数、中子数和核能态， 而且其平均寿命长得足以被观察到的一类 原子(核)。 • 作为一个核素，它必须能在一个可以测量 的时间内（一般大于10-10s）存在，而迅速 衰变着的激发态原子以及核反应中的不稳 定中间体都不是核素。
核素迁移与转化的概念
• 核素的迁移转化主要研究核素在地球浅表 层环境中的分布与分配、循环与转化、迁 移与富集规律及其环境效应。
核电站的影响
• 我国核电正在起步,在核能开发利用过程中, 会有一定数量的放射性核素进入环境(水体、 土壤和空气等)，最后经过动植物由食物链 进入人体，造成危害，尤其是一些中、长 寿命的放射性核素在农、牧、渔产品中的 积累是人们密切关注的问题。90Sr，137Cs等 放射性核素,在核电厂排放的废水中占总放 射性含量的50%以上，对周围环境造成极大 的影响。
137Cs的测定方法
• 通常通过γ或β辐射测量法测定137Cs。在放射 化学方法中，主要是通过β辐射测量法进行 测量。
• 环境样品中137Cs的含量一般很低，需要取大 量样品才能将其测出。一个使用于环境样 品中137Cs的分析程序，首先要求对40K和87Rb 有较高的去污系数。
137Cs的用途
• 大型土柱模拟迁移试验 实验装置：
实验所用装置( 见图2) 由两套实验土柱、喷淋器 以及架子组成。
• 实验方法 土柱管为内径10cm, 高约1m 的有机玻璃管, 内 装填采自现场的土柱( 土壤同小柱实验土样) ， 高度约80cm，分别将含有137Cs 的示踪源层铺 在土柱上表面，源层上面铺一定厚度的经过 筛选的土壤和砂层。用喷淋器每天定时定量 从土柱上方喷水，水量模拟实际降雨量( 约相 当于全年降雨1000ml )，并且让土柱上端的水 在接近自然条件下蒸发。将土柱底部的流出 液收集起来，监测其体积，并检测其放射性。 实验结束后，将土柱解体，取不同位置土样， 测量样品中核素浓度, 以得到其垂直分布。
粘土矿物对137Cs 的吸附固定
• 大量研究表明, 土壤中的粘土矿物在137Cs的吸 附和固定中占有十分重要的地位, 土壤中137Cs 的固定依赖于Cs 和某些粘土矿物的相互作用。 胶体含量和粘土矿物含量越高，137Cs的结合程 度越牢固。 • 粘土矿物固定137Cs的原理可以从伊利石对Cs+ 的固定中得到初步认识。Cs+ 比K+ 更弱水合, 伊 利石层间Cs+ 的吸附扩张, 驱逐半径较大的Ca2+ 、 M g2+ 、K+ 的水合离子, 最终导致伊利石单晶的 夹层坍塌, 而使Cs+ 不能移动而固定下来。
137Cs对人类健康的影响
137Cs对人体的影响取决於其辐射强度，暴
露时间和受影响的人体细胞种类等。如果涉 及的137Cs是一个非常高辐射的放射源，可能 会引起急性放射病症例如：恶心，疲倦，呕 吐及毛发脱落等，如果受到约1希沃特辐射剂 量的直接照射，甚至可以引致死亡。 137Cs进 入人体会积聚在肌肉组织中，并有可能增加 患癌症的风险。
土壤有机质对137Cs 的吸附固定
• 原因 有机质能提供大量的交换性阳离子，而 土壤中的阳离子交换量增大时，能增加土壤 对放射性核素的吸附和固定。 137Cs的迁移受粘土矿物和有机质的紧密 吸附这两个主要因素的影响。
实验方法的研究
Hale Waihona Puke Baidu• 小型土柱氚水渗透试验 原理： 由柱的氚水淋洗流出曲线测定柱的有效孔 隙度, 由柱的氚水淋洗穿透曲线测定土柱在该 流速下的弥散系数, 进一步算出弥散度, 该弥 散度可以用于大型柱试验中计算大柱试验流 速下的水力弥散系数。为大型柱试验提供参 数。
如何保护自己避免受到137Cs的照射？
辐射无处不在，大部分都是天然存在的。 有三个简单方法可以减少受辐射影响：距离， 时间和屏蔽。我们应尽量远离辐射源、尽量 减短接触辐射源的时间和有足够的屏蔽。我 们通常用铅来作屏蔽，例如铅板或夹有铅的 衣服。如果你要进入一个使用辐射的地方， 必须遵照安全程序，并不要进入未经许可的 地区。
由核试验产生并释放到大气层的137Cs 进入 平流层，3～ 12个月内在全球均匀分布，而后 逐渐进入对流层，随大气降水返回地表。
• 核电站泄漏产生的137Cs
土壤中137Cs的存在形式
• 主要以水溶态、交换态和固定态等存在，3 种形式所占的比例差别很大。 • 固定态：67.4%-99.5%
• 水溶态：0.004%-0.27% • 交换态：0.49%-32.3%