新疆伊犁燃煤灰放射性核素水平與富集因子分析

加爾肯居馬肯·愛特，馬浩亞·艾斯江，巴哈爾古麗·別克吐爾遜，王興磊

1.伊犁師范學院 化學與環(huán)境科學學院，污染物化學與環(huán)境治理重點實驗室，新疆 伊寧　835000；2.新疆伊犁州環(huán)境信息中心，新疆 伊寧　835000

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新疆伊犁燃煤灰放射性核素水平與富集因子分析

加爾肯居馬肯·愛特1,2，馬浩亞·艾斯江1，巴哈爾古麗·別克吐爾遜1，王興磊1

1.伊犁師范學院 化學與環(huán)境科學學院，污染物化學與環(huán)境治理重點實驗室，新疆 伊寧835000；2.新疆伊犁州環(huán)境信息中心，新疆 伊寧835000

為了探明新疆伊犁家用燃煤灰放射性核素比活度本底值，分析了新疆伊犁河谷各礦區(qū)的48個有效燃煤爐灰樣。分析結(jié)果表明：燃煤灰238U、232Th、226Ra和40K比活度范圍分別為11.5～682.0、7.5～88.7、11.4～926.0、LLD～372.0 Bg/kg；比活度均值分別為104.4、37.6、126.7、101.7 Bq/kg。計算得到41對燃煤與燃煤爐底灰放射性核素238U、232Th、226Ra、40K的富集因子為0.1～26.6、3.3～309.2、0.4～284.0和1.7～225.5，238U、232Th、226Ra相對富集因子為0.01～19.97、0.06～77.9和0.02～54.5。研究表明，此次調(diào)查的家用燃煤灰放射性核素數(shù)據(jù)與其它地區(qū)和國家數(shù)據(jù)相比為最小，燃煤與家用燃煤灰的富集因子與文獻報道的相似，根據(jù)聯(lián)合國電離輻射效應委員會統(tǒng)計的全球煤及煤灰背景值資料，此次數(shù)據(jù)均在正常值范圍內(nèi)。

238U；232Th；226Ra；40K；比活度；家用燃煤灰；富集因子；新疆伊犁

煤的放射性一般都很低，然而，在某些特定的環(huán)境中煤伴生放射性核素[1-7]。近幾十年來，國內(nèi)外科學家和國際組織研究煤與煤灰的放射性核素[8-13]，提出煤在燃燒過程中，伴生放射性核素往往濃縮富集在煤灰中[2-3,8,14]，燃燒后的煤渣及煤灰可能增加環(huán)境的放射性水平[4,15]。同時，煤在燃燒時對周圍釋放放射性核素及其子體，產(chǎn)生一定的放射性污染[4,7,9]，陳竹舟等[16]指出煤中含有的鈾、釷等放射性物質(zhì)隨排煙進入環(huán)境所造成的放射性危害一般比核電站大。

國家西部大開發(fā)和能源政策及當?shù)貎?yōu)勢資源轉(zhuǎn)化戰(zhàn)略引起全國的大中型煤礦企業(yè)紛紛投資新疆伊犁煤化工，從而導致煤灰產(chǎn)生量急劇增加。伊犁河谷地區(qū)家用燃煤灰與煤的放射性核素對環(huán)境的污染和對伊犁河谷地區(qū)的影響研究更顯必要和緊迫。

1　樣品的采集與分析

新疆伊犁燃煤放射性共調(diào)查202個煤礦(道)，共選取燃煤樣154個。煤樣的采集方法是按照“商品煤采樣方法”(GB 478—83)隨機地從生產(chǎn)礦井中運出的幾批礦車中的前、中、后礦斗中采取煤樣2.5 kg左右，充分混合后取1.5 kg。混合煤樣烘干后，粉碎，過200目篩，約稱取1.5 kg，密封20～30 d后測量分析。

新疆伊犁家用燃煤灰樣由礦區(qū)自燃煤灰樣9個、礦區(qū)家用爐灶底灰9個、模擬自燃煤灰30個組成。礦區(qū)燃煤灰樣是礦區(qū)中自燃煤堆燃盡后產(chǎn)生的煤灰，礦區(qū)家用爐灶灰采自各住戶的爐灰。模擬自燃煤灰是模擬煤炭燃燒的方式，把研磨煤粉放在開口的鐵質(zhì)容器內(nèi)，明火燃燒，取其剩余物，獲得30個有效燃煤灰數(shù)據(jù)。燃煤灰取樣后混合取1.5 kg樣品備用，共取得48個有效的燃煤灰樣品。燃煤灰樣品為礦區(qū)煤堆自燃后殘留灰、礦區(qū)住戶燃煤爐底灰及模擬煤炭燃燒后的底灰三部分組成。它們都是露天充分供氧燃燒后的殘留物。

調(diào)查的樣品統(tǒng)一送中國輻射防護研究院進行γ能譜測量分析。測量儀器為美國CANBERRA公司產(chǎn)HPGe探測器-S/95多道分析器γ能譜儀。探測器分辨率為1.89 keV(60Co 的1 332 keV伽馬射線)，相對探測效率為31.3%。

探測器采用核工業(yè)北京地質(zhì)研究院生產(chǎn)的純鈾、鐳、釷、鉀標準物質(zhì)和中國計量研究院生產(chǎn)的134Cs、137Cs、60Co、152Eu標準溶液與分析純KCl試劑摻入介質(zhì)做成源物質(zhì)及刻度源，并對標準源和制好的刻度源繼續(xù)檢驗，再將樣品直接放在探測器端帽上收集譜數(shù)據(jù)并進行樣品分析，經(jīng)計算后獲得數(shù)據(jù)。

2　結(jié)果與討論

新疆伊犁家用燃煤灰238U、232Th、226Ra、40K比活度測量結(jié)果列于表1。由表1可知，此次調(diào)查的數(shù)據(jù)比較分散，最小值與最大值相差巨大，238U、232Th、226Ra、40K比活度分布范圍分別為11.5～682.0、7.5～88.7、11.4～926.0、LLD～372.0 Bg/kg。數(shù)據(jù)分布范圍與中國(火電廠粉煤灰)[3]及巴西(鍋爐底灰)[4]的數(shù)據(jù)分布近似。

表1　煤灰放射性核素比活度與其它國家和地區(qū)比較Table 1　Comparison of average specific activity with other nation and area　Bg/kg

注：1) LLD為未檢出，統(tǒng)計時用LLD/2；LLD(40K)=3.4 Bg/kg

根據(jù)文獻[3-4,7,13,15]，新疆伊犁家用燃煤灰的放射性核素除了226Ra比西安的高約一倍左右外，新疆伊犁家用燃煤灰的238U、232Th、226Ra、40K的比活度與其它國家和地區(qū)相比(表1)為最小。238U比活度比中國火電廠粉煤灰的低將近一半，是巴西鍋爐底灰的近1/20。232Th的比活度比中國火電廠粉煤灰的低近1/5，是西安火電廠和巴西鍋爐底灰的近1/2。40K的比活度為其它國家和地區(qū)的0.20～0.45。而相比而言，巴西(鍋爐底灰)的238U、226Ra、40K的比活度為最高，232Th的比活度比其它核素的都低；伊犁河谷放射性核素的比活度與此類似，232Th的比活度是其它核素的約1/3至1/2。

在48個新疆伊犁家用燃煤灰樣品與154個燃煤樣[17]中，共有41對來源一致有效樣品，其放射性核素比活度值列于表2。根據(jù)表2可知，伊犁燃煤樣中的238U、232Th、226Ra、40K比活度平均值(分布范圍)分別是33.8(LLD～311.0)、3.7(LLD～25.4)、16.6(LLD～116.0)、14.1(LLD～128.0) Bq/kg。238U與226Ra的比活度平均值與聯(lián)合國電離輻射效應委員會(UNSCEAR)統(tǒng)計的全球煤的背景值(238U為20 Bq/kg、226Ra為35 Bq/kg)一致，而232Th和40K較低(UNSCEAR統(tǒng)計的232Th為30 Bq/kg、40K為400 Bq/kg)[4,7-8]。與文獻[4-7,11-15]相比，本工作調(diào)查的新疆伊犁煤的放射性核素比活度雖然在其分布范圍內(nèi)，但平均值相對低，而232Th和40K明顯較低。

表2　燃煤、燃煤灰中核素的富集因子Table 2　Enrichment factor of the radionuclides in bottom ash and coal

注：1) 富集因子為家用燃煤灰與燃煤放射性核素比活度之比

41對家用燃煤灰樣品238U、232Th、226Ra、40K的比活度分別為123.0(11.5～682.0)、36.8(7.5～88.7)、149.4(11.4～926.0)、100.4(22.0～370.0) Bq/kg。相對煤的放射性核素水平，經(jīng)過燃燒后，可看出新疆伊犁家用燃煤灰進行了富集。放射性核素238U、232Th、226Ra、40K的富集因子均值分別是5.0、71.2、43.8、44.4，富集因子變化幅度較大，分別為0.1～26.6、3.3～309.2、0.4～284.0、1.7～225.5，放射性核素238U的富集因子遠遠小于其它放射性核素。

238U富集取決于煤的物理和化學特性及燃燒過程，它以瀝青鈾礦和水硅鈾礦的形式賦存于煤中。燃燒時，238U可能形成揮發(fā)性與非揮發(fā)性的化合物[4]，一部分揮發(fā)逸出，非揮發(fā)部分集聚在底灰中；而232Th、226Ra、40K耐高溫，燃燒后將留在灰燼中，比活度損失小[14]。這是238U的富集因子明顯低于其它核素的原因之一。

由于燃煤及灰中40K的比活度相對恒定且損失小[13-14]，將它作為標準化因子計算相對富集因子，可屏蔽環(huán)境條件的擾動對某些核素比活度的劇烈影響，更加科學可靠。表2給出了燃煤燃燒后富集到燃煤灰中的238U、232Th、226Ra的相對富集因子分別為0.9、8.3、5.4，變化范圍分別是0.01～19.97、0.06～77.9、0.02～54.5。本工作的相對富集因子與文獻[13-14]相比稍大。其原因是：本工作的燃煤爐底灰在露天燃燒獲得，相比文獻[13-14]在鍋爐和除塵器內(nèi)有限的氧氣，露天燃燒的燃煤得到充分燃燒，因而大部分的放射性核素遺留在了爐底灰中，各個放射性核素富集較大。但這還需留待以后設置不同的條件，如各種溫度對不同粒徑的煤灰的影響進行進一步詳細研究。

3　結(jié)　論

(1) 研究了新疆伊犁煤礦區(qū)各礦區(qū)自燃煤灰、燃煤爐底灰及模擬燃煤灰的238U、232Th、226Ra和40K的輻射水平及行為，獲得了48個有效的燃煤灰樣品中4種核素的比活度，以及41對有效燃煤灰與燃煤富集因子數(shù)據(jù)。

(2) 根據(jù)UNSCEAR統(tǒng)計的全球煤及煤灰背景值資料，調(diào)查的燃煤及礦區(qū)自燃煤灰、礦區(qū)家用爐底灰及模擬自燃煤灰中4種核素的比活度均在正常范圍內(nèi)。與其它地區(qū)和國家的數(shù)值相比，此次調(diào)查的燃煤灰與燃煤238U、226Ra、232Th和40K比活度為最小。通過分析41對燃煤與燃煤灰放射性核素238U、232Th、226Ra、40K的數(shù)據(jù)后，獲得的富集因子與文獻報道相似，相對富集因子的應用能科學地說明燃煤及灰的富集程度，值得推廣應用。

(3) 對于燃煤及燃煤灰的放射性核素比活度分布及遷移行為，今后還需關(guān)注不同燃燒條件、煤中放射性核素賦存形態(tài)、不同粒徑的煤灰以及溫度等條件的影響，這有待進一步的研究。

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Natural Radionuclides Concentration and Enrichment Factors in Burned-Coal Domestic Bottom Ash in Ili Valley of Xinjiang

Jarkhen Jumakhen Aite1,2, Mahaoya Aisijiang1, Bahaerguli Bieketuerxun1, WANG Xing-lei1

1.Key Laboratory of Pollutant Chemistry and Environmental Treatment,College of Chemistry and Environmental Sciences, Ili Normal University of Xinjiang, Yining 835000, China;2.Ili Prefecture Environmental Information Center of Xinjiang, Yining 835000, China

Due to measuring the background value of specific activity of radionuclides (238U,232Th,226Ra,40K), 48 collected samples of bottom ash of coal in the coalfields were analyzed by Gamma-ray spectrometer at China Nuclear Radiation Protection Research Institute. The results show that the specific activity are 104.4 Bq/kg (238U), 37.6 Bq/kg (232Th), 126.7 Bq/kg (226Ra) and 101.7 Bq/kg (40K). The enrichment factors(EF) of the radionuclides in bottom ash relative to the input coal during the combustion process range from 0.1 to 26.6 for238U, from 3.3 to 309.2 for232Th, from 0.4 to 284.0 for226Ra and from 1.7 to 225.5 for40K, whereas the relative enrichment factors(REF) are 0.01 to 19.97 (238U), 0.06 to 77.9 (232Th) and 0.02 to 54.5 (226Ra). The specific activity of238U,226Ra,232Th and40K present the lowest in bottom ash in Ili Valley of Xinjiang compared with other areas and nations.

238U;232Th;226Ra;40K; specific activity; bottom ash of burned-coal; enrichment factor; Ili Valley of Xinjiang, China

2016-04-06；

2016-08-31

TL13；TL71；TL751

A

0253-9950(2016)05-0313-04

10.7538/hhx.2016.38.05.0313