【摘要】：環(huán)境污染是目前全世界面臨的最大問(wèn)題之一,回顧歷史發(fā)展進(jìn)程,經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá),環(huán)境污染越嚴(yán)重。然而,國(guó)家對(duì)于污染一直以來(lái)被動(dòng)的采取“先污染,后治理”方式,更加使得環(huán)境質(zhì)量急劇下降。雖然近年來(lái)人們的環(huán)保意識(shí)不斷加強(qiáng),國(guó)家在環(huán)境保護(hù)上的投入也越來(lái)越多,但在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下,每天仍然有大量的污染源對(duì)環(huán)境產(chǎn)生著嚴(yán)重的破壞。在2010年《第一次全國(guó)污染源普查》報(bào)告中顯示,各類源廢水排放總量超過(guò)2000億噸,廢氣排放總量達(dá)到637203.69億立方米,主要污染物排放總量分別為:化學(xué)需氧量超過(guò)3000萬(wàn)噸,氨氮量超過(guò)107萬(wàn)噸,重金屬0.09萬(wàn)噸,總氮472.89萬(wàn)噸,總磷42.32萬(wàn)噸,二氧化碳2320萬(wàn)噸,氮氧化合物1797.70萬(wàn)噸。面對(duì)這些天文數(shù)字般的污染物排放,我們亟需從污染源頭進(jìn)行治理,實(shí)現(xiàn)“先治理,后監(jiān)測(cè)”,才能使環(huán)境質(zhì)量逐步改善。本文利用瞬發(fā)伽瑪射線中子活化分析方法(Prompt Gamma-ray Neutron Activation Analysis,簡(jiǎn)寫(xiě)為PGNAA)進(jìn)行多元素分析,模擬檢測(cè)了土壤和水中鎘、砷、鉻、鉛四種重金屬含量以及煤炭中碳、氫、氧、氮、硫五種元素含量的可行性。為驗(yàn)證模擬結(jié)果,本文設(shè)計(jì)了針對(duì)煤炭的多元素含量快速檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置。此裝置可以快速分析出煤炭中各種元素含量,與模擬的結(jié)果相吻合。如果將此套裝置應(yīng)用于燃煤企業(yè),可以幫助企業(yè)快速的進(jìn)行煤質(zhì)分析,從而采取相應(yīng)措施減少污染氣體的排放和廢棄物的處理等,對(duì)空氣質(zhì)量的改善和環(huán)境保護(hù)具有重要指導(dǎo)意義。本文主要工作內(nèi)容有以下幾項(xiàng):(1)利用MCNP(蒙特卡洛)模擬,研究了PGNAA法檢測(cè)土壤與水中鎘、砷、鉻、鉛等重金屬含量以及煤炭中碳、氫、氧、氮、硫五種元素含量可行性,從模擬結(jié)果可以看出,PGNAA法對(duì)于土壤中的重金屬含量以及煤炭中碳、氫、氧、氮、硫具有很好的檢測(cè)效果。(2)為了驗(yàn)證模擬結(jié)果,設(shè)計(jì)了針對(duì)煤炭的多元素含量快速檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)現(xiàn)了煤炭中多元素含量的快速檢測(cè)。具體工作有:(a)優(yōu)化設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置的中子防護(hù)體,確保操作人員安全。由于中子不帶電荷,不受原子內(nèi)部電場(chǎng)的作用,可以非常接近原子核。當(dāng)中子進(jìn)入人體后,與體內(nèi)的原子核作用能夠產(chǎn)生?、?、?三種射線,對(duì)人體的危害非常大。利用MCNP模擬結(jié)果顯示,當(dāng)以聚乙烯為中子防護(hù)材料,其厚度超過(guò)61cm時(shí),實(shí)驗(yàn)裝置周?chē)闹凶虞椛鋭┝繚M足輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。(b)利用鉛屏蔽干擾伽瑪射線,有效提高檢測(cè)精度。由于BGO(鍺酸鉍)探測(cè)器周?chē)约爸凶臃雷o(hù)體(聚乙烯)中都含有大量的碳、氫、氧等元素,它們與中子發(fā)生器產(chǎn)生的快、熱中子作用所產(chǎn)生的伽瑪射線混雜在煤炭樣品與中子作用產(chǎn)生的特征伽瑪射線中,影響元素含量的檢測(cè)精度。因此,在實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)中,為BGO探測(cè)器設(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)徑、外徑、高分別為5cm,23cm以及20cm的鉛桶,既能屏蔽進(jìn)入BGO探測(cè)器的干擾伽瑪射線,又能快速降低14MeV中子的能量,使大部分14MeV中子在進(jìn)入BGO探測(cè)器時(shí)的能量已經(jīng)低于氧元素與快中子發(fā)生非彈性散射反應(yīng)的閾值(6.4MeV),從而降低了BGO探測(cè)器探測(cè)到氧元素特征伽瑪射線能譜的本底,提高檢測(cè)精度。(c)提高數(shù)據(jù)處理精度。在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)碳、氧兩種元素的含量雖然可以利用全譜中的特征伽瑪射線計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算,但是由于全譜中有大量的輻射俘獲產(chǎn)生的伽瑪射線,計(jì)算結(jié)果誤差較大,達(dá)不到工業(yè)用煤的要求。通過(guò)大量的模擬計(jì)算,最終選擇利用全譜和輻射俘獲譜之差得到的非彈性散射譜作為碳元素和氧元素含量計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn),提高了碳、氧兩種元素的檢測(cè)精度。利用全譜、輻射俘獲譜中的氫元素特征伽瑪射線之和計(jì)算氫元素含量,提高了氫元素的檢測(cè)精度。(d)制作60組標(biāo)準(zhǔn)煤炭樣品用以實(shí)驗(yàn)。由于煤炭多元素含量快速檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置在檢測(cè)元素含量時(shí)是相對(duì)檢測(cè),需要利用元素含量已知的標(biāo)準(zhǔn)煤炭樣品來(lái)修正計(jì)算公式。為了降低成本,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、三氧化二鋁、三氧化二鐵、碳酸鈣、二氧化鈦、碳酸鈉、碳酸鉀、三聚氰胺以及乙二醇等化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的原料,配制出碳、氫、氧、氮、硫、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鈦等元素含量已知的60組標(biāo)準(zhǔn)煤炭樣品,用以實(shí)驗(yàn)�；谏鲜龉ぷ�,我們?cè)O(shè)計(jì)的煤炭多元素含量快速檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置,可以快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)出煤炭中主要元素的含量,對(duì)于中子和伽瑪射線的防護(hù)也達(dá)到了輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求,確保了操作人員的安全,具備安裝在大型燃煤企業(yè)實(shí)際使用的條件。利用同樣的原理,我們可以針對(duì)此套裝置進(jìn)行改進(jìn),將其應(yīng)用在工業(yè)廢水中重金屬的檢測(cè)、土壤中重金屬的檢測(cè)等領(lǐng)域,為企業(yè)改善工作流程,提高污染氣體以及工業(yè)廢水的處理工藝提供快速必要的數(shù)據(jù)支持,從而達(dá)到改善大氣質(zhì)量,減少土壤以及水源污染程度,降低環(huán)境污染的目的。
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X830

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本文編號(hào)：2759559