【摘要】：環(huán)境污染是目前全世界面臨的最大問題之一,回顧歷史發(fā)展進程,經(jīng)濟越發(fā)達,環(huán)境污染越嚴重。然而,國家對于污染一直以來被動的采取“先污染,后治理”方式,更加使得環(huán)境質(zhì)量急劇下降。雖然近年來人們的環(huán)保意識不斷加強,國家在環(huán)境保護上的投入也越來越多,但在經(jīng)濟利益的驅(qū)使下,每天仍然有大量的污染源對環(huán)境產(chǎn)生著嚴重的破壞。在2010年《第一次全國污染源普查》報告中顯示,各類源廢水排放總量超過2000億噸,廢氣排放總量達到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3000萬噸,氨氮量超過107萬噸,重金屬0.09萬噸,總氮472.89萬噸,總磷42.32萬噸,二氧化碳2320萬噸,氮氧化合物1797.70萬噸。面對這些天文數(shù)字般的污染物排放,我們亟需從污染源頭進行治理,實現(xiàn)“先治理,后監(jiān)測”,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,簡寫為PGNAA)進行多元素分析,模擬檢測了土壤和水中鎘、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。為驗證模擬結(jié)果,本文設(shè)計了針對煤炭的多元素含量快速檢測實驗裝置。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,對空氣質(zhì)量的改善和環(huán)境保護具有重要指導(dǎo)意義。本文主要工作內(nèi)容有以下幾項:(1)利用MCNP(蒙特卡洛)模擬,研究了PGNAA法檢測土壤與水中鎘、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、硫具有很好的檢測效果。(2)為了驗證模擬結(jié)果,設(shè)計了針對煤炭的多元素含量快速檢測實驗裝置,實現(xiàn)了煤炭中多元素含量的快速檢測。具體工作有:(a)優(yōu)化設(shè)計了實驗裝置的中子防護體,確保操作人員安全。由于中子不帶電荷,不受原子內(nèi)部電場的作用,可以非常接近原子核。當中子進入人體后,與體內(nèi)的原子核作用能夠產(chǎn)生?、?、?三種射線,對人體的危害非常大。利用MCNP模擬結(jié)果顯示,當以聚乙烯為中子防護材料,其厚度超過61cm時,實驗裝置周圍的中子輻射劑量滿足輻射防護標準的要求。(b)利用鉛屏蔽干擾伽瑪射線,有效提高檢測精度。由于BGO(鍺酸鉍)探測器周圍以及中子防護體(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精度。因此,在實驗裝置結(jié)構(gòu)中,為BGO探測器設(shè)計了一個內(nèi)徑、外徑、高分別為5cm,23cm以及20cm的鉛桶,既能屏蔽進入BGO探測器的干擾伽瑪射線,又能快速降低14MeV中子的能量,使大部分14MeV中子在進入BGO探測器時的能量已經(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探測器探測到氧元素特征伽瑪射線能譜的本底,提高檢測精度。(c)提高數(shù)據(jù)處理精度。在對實驗數(shù)據(jù)處理的過程中,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數(shù)來計算,但是由于全譜中有大量的輻射俘獲產(chǎn)生的伽瑪射線,計算結(jié)果誤差較大,達不到工業(yè)用煤的要求。通過大量的模擬計算,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算的標準,提高了碳、氧兩種元素的檢測精度。利用全譜、輻射俘獲譜中的氫元素特征伽瑪射線之和計算氫元素含量,提高了氫元素的檢測精度。(d)制作60組標準煤炭樣品用以實驗。由于煤炭多元素含量快速檢測實驗裝置在檢測元素含量時是相對檢測,需要利用元素含量已知的標準煤炭樣品來修正計算公式。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組標準煤炭樣品,用以實驗�；谏鲜龉ぷ�,我們設(shè)計的煤炭多元素含量快速檢測實驗裝置,可以快速、準確的檢測出煤炭中主要元素的含量,對于中子和伽瑪射線的防護也達到了輻射防護標準的要求,確保了操作人員的安全,具備安裝在大型燃煤企業(yè)實際使用的條件。利用同樣的原理,我們可以針對此套裝置進行改進,將其應(yīng)用在工業(yè)廢水中重金屬的檢測、土壤中重金屬的檢測等領(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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X830

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本文編號：2759559