3 курс / Гигиена / Физико_химические_характеристики_промышленных_альфа_излучающих_аэрозолей

Электростатический метод отделения наночастиц с поверхности сетки может заключаться в сборке электрического конденсатора, одной из обкладок которого будет служить собственно сетка с находящимися на ее поверхности наночастицами. В электростатическом поле наночастицы могут отделяться от поверхности сети, после чего их очищенным потоком воздуха можно попытаться осадить на поверхность трекового детектора. В этом случае проблема осаждения отделившихся наночастиц будет практически той же, что и в случае термического отделения. В дополнение к этому дополнительную неопределенность вносит отсутствие информации об электрических свойствах промышленных альфа-излучающих наночастиц.

Входе предыдущих исследований было выяснено два важных факта. Первый факт состоит в следующем. В «сухих» условиях, когда сетки диффузионной батареи доставлялись из места отбора проб в лабораторные помещения, наночастицы практически полностью переместились с поверхности сеток на поверхность защитных бумажных конвертов. Иначе говоря, сил межмолекулярного взаимодействия оказывается недостаточно для прочного удержания наночастиц на сетках диффузионной батареи в условиях, когда сетка взаимодействует с инородной поверхностью.

Второй факт обнаружился в процессе исследований транспортабельности наночастиц. В первой серии экспериментов, когда диализу подвергались наночастицы, находившиеся на защитных фильтрах упаковки для перемещения проб в лабораторные помещения. Было получено, что значение транспортабельности этих частиц (плутония связанного

снаночастицами) варьирует в пределах от 23% до 36%. Во втором эксперименте исследовалась кинетика диализа плутония, связанного с наночастицами, находившимися на поверхности сеток диффузионной батареи. Было обнаружено, что значения транспортабельности варьировали в пределах от 0,9% до 2,7%. Это оказались практически на порядок величины меньшими, чем в первом случае.

Вкачестве рабочей гипотезы, объясняющей наблюдаемое различие в поведении частиц в «сухих» условиях и при погружении в раствор Рингера, было сформулировано следующее положение. В «сухих» условиях частицы удерживаются на поверхности сеток диффузионной батареи с помощью слабо действующих сил межмолекулярного взаимодействия, которые являются т.н. слабо действующими силами. При погружении сетки, содержащей на своей поверхности наночастицы диоксида плутония, на поверхности, как сетки, так и наночастиц возникает двойной электрический слой. Учитывая то, что сетка изготовлена из нержавеющей стали и является металлом, а наночастицы

160

предполагаются состоящими из окисла металла (диоксида плутония), полярность двойного электрического слоя, образующегося на поверхностях указанных материалов, должна быть противоположной. В результате удержание наночастиц на поверхности металлических сеток осуществляется действием электростатических сил, которые значительно прочнее удерживают частицы на поверхности, чем силы межмолекулярного взаимодействия.

Учитывая изложенное, выше было принято решение, что возможным способом переноса наночастиц с поверхности сеток диффузионной батареи может быть способ, использующий рабочую жидкость. Метод рабочей жидкости заключается в том, что на первом этапе наночастицы переносятся в рабочую жидкость. Жидкость, которая содержит в себе наночастицы, наносится на поверхность детектора. После испарения жидкости наночастицы остаются на поверхности трекового детектора. Такой образец можно подвергать облучению нейтронами. В качестве рабочих предполагалось выбирать такие жидкости, которые не приводят к существенным химическим изменениям свойств наночастиц. Кроме того, для сдвига потенциала двойного электрического слоя предполагалось на сетку подавать потенциал определенной полярности.

В ходе исследований, направленных на разработку эффективного и приемлемого по затратам способа переноса наночастиц с поверхности сеток диффузионной батареи на поверхность трековых детекторов проводились эксперименты по переносу наночастиц в промежуточную жидкость. Эксперименты предполагали использование воздействия разности потенциалов для ускорения процесса. В ходе исследований были проведены следующие эксперименты:

·перенос наночастиц в дистиллированную воду под действием разности потенциалов, подаваемой на сетку и электрод, расположенные в жидкости (разность потенциалов менялась в пределах от 1 В до 100 В);

·перенос наночастиц в спирт под действием разности потенциалов, подаваемой на сетку и электрод, расположенный в жидкости (разность потенциалов 100 В).

Для проведения исследований характера перехода наночастиц с поверхности сеток диффузионной батареи в воду было сконструировано и изготовлено устройства, которое состояло из двух медных колец, фторопластового кольца, необходимого для исключения короткого замыкания в электрической цепи, а также медного диска. К одному из колец, а также к медному диску были припаяны электроды, представляющие из себя медные кабели, изолированные от внешней среды фторопластовым изолятором. Медные кольца и

161

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

расположенная между ними сетка скреплялись специальным зажимом. Общий вид деталей представлен на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 – Устройство для переноса наночастиц в разборе

Для проведения экспериментов была собрана следующая электрическая схема (рисунок 4.8). Для этого детали сборки, включая чистую (без наночастиц) металлическую сетку, были смонтированы, как показано на рисунке 4.8.

электрод

медное кольцо

сетка

медное кольцо

Рисунок 4.8 – Сборка металлической сетки и электродов для перемещения наночастиц в воду

162

Сборку помещали в стеклянный стакан объемом 400 мл (см. рисунок 4.9) и заливали рабочей жидкостью (дистиллированной водой или этиловым спиртом).

Рисунок 4.9 – Сборка металлической сетки и электродов для перемещения наночастиц в воду

Рисунок 4.10 – Электрическая схема для проведения эксперимента

163

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

Входе разработки метода переноса наночастиц с поверхности сетки диффузионной батареи на поверхность трекового детектора было проделано 14 различных экспериментов по переносу наночастиц с поверхности сеток в рабочую жидкость.

Методика первых трех экспериментов, в которых в качестве рабочей жидкости использовалась дистиллированная вода, заключалась в следующем. Сборку, состоящую из сетки, закрепленной между двух медных колец, фторопластового изолирующего кольца и медного диска помещали в стакан объемом 400 мл. Затем аккуратно с помощью стеклянной палочки конструкция заливалась дистиллированной водой. Объем воды составлял 100 мл. На первом шаге эксперимента разность потенциалов на сборку не подавалась. Сборка выдерживалась в воде в течение 5 мин. После этого она извлекалась из стакана с водой и помещалась каждый раз на чистую фильтровальную бумагу. На последующих стадиях эксперимента ту же самую сборку помечали в новый чистый стакан и так же заливали дистиллированной водой. Однако в отличие от первого шага на сетку подавали положительный потенциал, а на медный диск – отрицательный. Время выдержки сборки в стакане составляло 5 мин. Затем процедура повторялась. При этом на каждом новом шаге эксперимента разность потенциалов, подаваемых на сетку, увеличивали в следующей последовательности: 1; 2; 5; 10; 20; 50 и 100 В.

Впоследующих экспериментах переход наночастиц в воду в отсутствие разности потенциалов не определялся. Проводили изменение полярности разности потенциалов, подаваемых на электроды системы (сетку и медный диск). Продолжительность экспонирования также составляло 5 мин. Разность потенциалов менялась в последовательности, приведенной выше.

Активность суммы 241Am и альфа-излучающих изотопов плутония измеряли альфарадиометрическим методом, который описан выше. При этом каждая сетка диффузионной батареи, на которой осталось определенное количество радиоактивных нуклидов, подвергалась двукратному кипячению в азотной кислоте в течение 20 мин каждый раз. Каждый полученный азотнокислый раствор подвергался анализу раздельно.

Результаты измерений альфа-активности актинидов в полученных субстратах приведены в таблице 4.2, графическая иллюстрация зависимости активности наночастиц, перешедших в дистиллированную воду от подаваемой разности потенциалов приведена на рисунке 4.11.

Анализ данных, приведенных в таблице 4.2, позволяет сказать следующее. В первом эксперименте, при подаче положительного потенциала на сетку, в дистиллированную воду за время всего эксперимента перешел 41% суммарной активности, содержащейся на поверхности сетки. 59% активности было обнаружено в смывах (азотнокислых растворах,

164

полученных при кипячении сеток). При этом в первом смыве содержалась практически вся активность, оставшаяся на сетке после эксперимента.

Во втором эксперименте, когда на сетку подавался отрицательный потенциал, в дистиллированную воду за время всего эксперимента перешло только 7% активности, в то время как на сетке осталось 93% активности.

Таблица 4.2 – Активность нуклидов в пробах воды и на сетках диффузионной батареи (сетки DI2PR7, DI2PR6 и DB_9S2)

Примечание: *) измерения не проводились; **) ниже НПДИ МИ

В третьем эксперименте, когда на сетку также подавался положительный потенциал, в дистиллированную воду перешло 87,7% активности, первоначально содержавшейся на сетке. После проведения эксперимента на сетке осталось всего 12,3% начального значения активности. Однако детальный анализ ряда измерений активности наночастиц в порциях дистиллированной воды показывает, что во второй порции была обнаружена чрезвычайно высокая активность нуклидов, составившая ≈ 1,3 Бк в 100 мл воды. Этот артефакт не позволяет результаты третьего эксперимента использовать в общем анализе характера перехода наночастиц с поверхности сеток в воду.

165

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

Графическая иллюстрация зависимости перехода частиц с поверхности сеток в воду (рисунок 4.11) также свидетельствует о том, что при подаче положительного потенциала на сетку в дистиллированную воду переходит существенно большее количество наночастиц, чем в случае подачи на сетку отрицательного потенциала.

Рисунок 4.11 – Переход наночастиц в дистиллированную воду под действием разности потенциалов

Методика следующей серии экспериментов по переносу наночастиц с поверхности сеток диффузионной батареи заключалась в следующем. Описанную выше сборку, состоящую из сетки с отобранными наночастицами, закрепленную между двумя медными кольцами, изолирующее кольцо из фторопласта и медный диск помещали на дно стеклянного стакана объемом 400 мл. После чего аккуратно по стеклянной палочке сборку заливали рабочей жидкостью. Затем на электроды подавалась разность потенциалов, равная 100 В. Сборка выдерживалась в таком состоянии в течение 5 мин. После этого она извлекалась из стакана с жидкостью. Альфа-радиометрическому анализу подвергались рабочая жидкость, смывы с сеток и в отдельных случаях смывы с остальных элементов сборки, а именно: медные кольца и диск (электроды). В этих случаях значение измеренной активности смывов с электродов приплюсовывались к активности, обнаруженной в смывах с поверхности сеток. Затем собиралась новая сборка. При этом сетка заменялась на новую. Процедура

166

повторялась, стой лишь разницей, что производилась замена полярности подаваемой на электроды разности потенциалов.

Результаты первых двух экспериментов, когда в качестве рабочей жидкости использовалась дистиллированная вода, приведены в таблице 4.3. Из таблицы 4.3 следует, что при подаче на сетку отрицательного потенциала в воде было обнаружено лишь 1,2% суммарной активности, содержавшейся на сетке. В смывах с поверхности сеток было обнаружено 98,6% суммарной активности. Во втором эксперименте на сетку подавали положительный потенциал. В результате в дистиллированной воде обнаружили 67,2% активности наночастиц, находившихся на сетке. В смывах с поверхности сеток было обнаружено 32,8% суммарной активности.

Таблица 4.3 – Активность нуклидов в пробах воды и на сетках диффузионной батареи (второй эксперимент, рабочая жидкость – вода)

В следующих шести экспериментах в качестве рабочей жидкости использовали этиловый спирт. В остальном процедура ничем не отличалась от процедуры, описанной для предыдущего опыта. Результаты измерений активности наночастиц, перешедших в рабочую жидкость и оставшихся на поверхности сеток, приведены в таблице 4.4.

Из таблицы 4.4 следует, что при подаче отрицательного потенциала на сетку в этиловом спирте обнаруживались низкие значения активности, которые менялись в пределах от 0,1% до 2,4% от суммарной активности наночастиц первоначально присутствовавших на поверхности сеток. В то же время на поверхности сеток оставалось от 97,6% до 99,9% от суммарной активности. Активность кислотных смывов с поверхности элементов сборки, как правило, составляли незначительную долю от активности смывов с поверхности сеток.

167

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

Таблица 4.4 – Активность нуклидов в пробах спирта и на сетках диффузионной батареи

Примечание: *) суммарная активность смывов с сеток и электродов.

По результатам первых одиннадцати экспериментов были сделаны предварительные выводы. Они заключаются в следующем.

При подаче положительного потенциала на сетку в рабочую жидкость переходит (55 ± 13)% в случае воды и (59 ± 26)% в случае спирта от суммарной активности наночастиц, находившихся на поверхности сеток. На сетках оставалось (45 ± 13)% и (41 ± 26)% для случаев дистиллированной воды и этилового спирта соответственно. То есть, как в случае воды, так и в случае спирта при подаче положительного потенциала на сетку в течение 5 минут в рабочую жидкость, будь то дистиллированная вода или этиловый спирт, переходит около половины активности частиц, первоначально находившихся на поверхности сеток. В ходе экспериментов с подачей отрицательного потенциала на сетку с наночастицами в рабочую жидкость переходит чрезвычайно малое количество радиоактивного вещества, первоначально присутствовавшего на поверхности

168

сеток в виде наночастиц (от 0,1% – спирт до 7% – вода). Исключение составил эксперимент с сеткой DB9_2S2, в ходе которого в рабочей жидкости было обнаружено 31,7% от суммарной активности.

Необходимо отметить, что применение описанной выше процедуры не позволило полностью перевести наночастиц с поверхности сеток диффузионной батареи в рабочую жидкость. Даже при подаче положительного потенциала на сетках оставалось от 16% до 68% суммарной активности, первоначально содержавшейся на их поверхности. Как было показано выше, в ходе экспериментов с подачей положительного потенциала на сетку за 5 мин выдержки поверхность сеток покидает около половинных активности частиц, присутствующих на ней. Учитывая полученный результат, в дальнейшем необходимо провести дополнительные исследования по повышению эффективности переноса наночастиц в рабочую жидкость, увеличив время выдержки по сравнению с той, которая использовалась в настоящем исследовании.

Здесь уместно сделать несколько замечаний. В ходе исследований не было возможности использовать сетки и находящиеся на их поверхности наночастицы с абсолютно одинаковыми свойствами. Распределение счетного количества наночастиц было неизвестным и очевидно менялось от сетки к сетке. Таким образом говорить об идентичности условий проведенных экспериментов не представляется возможным.

Дополнительным важным фактором, который мог существенно исказить картину переноса наночастиц в рабочую жидкость, является возможность присутствия на поверхности сеток частиц микронного размера. Под воздействием условий окружающей среды, создаваемых в эксперименте, эти частицы могут, как покидать поверхность сетки, так и оставаться на ней. Это способно внести существенные изменения в результаты измерений, так как микронная альфа-излучающая частица по массе, а значит, и по активности на несколько порядков величины превышает наночастицу. Этот аспект также требует в дальнейшем изучения и учета при определении параметров распределения наночастиц по размерам.

В качестве рабочей жидкости был выбран этиловый спирт, скорость испарения которого на много выше скорости испарения воды, что снижает вероятность попадания на поверхность трекового детектора инородных частиц делящихся материалов из окружающей среды.

169

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/