微波蒸發濃縮技術在生活飲用水放射性指標測定中的應用

解聯合 田野

摘 要：目的：研究微波蒸發濃縮技術在測定生活飲用水總α、總β放射性指標中的應用，建立微波濃縮樣品前處理方法。方法：樣品經微波蒸發濃縮、鹽化、灼燒后，制得樣品源，WIN-8A型二路低本底αβ測量儀上機，采用比較測量法檢測總α、總β放射性指標含量，并與國標法進行對比。結果：微波蒸發濃縮方法大大縮短樣品前處理時間，總α活度值平均回收率為93.6%，總β活度值平均回收率為95.2%，相對誤差在6.35%～8.20%，總α探測下限平均0.007 Bq/L，總β探測下限平均0.012 Bq/L。結論：微波蒸發濃縮樣品前處理技術大大縮短了檢測時間，降低了勞動強度，符合檢測要求，在生活飲用水總α、總β放射性指標檢測方面具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：微波蒸發濃縮技術;放射性指標;飲用水

Application of Microwave Evaporation Concentration Technology in Determination of Radioactive Index of Drinking Water

XIE Lianhe， TIAN Ye

（Center for Disease Control and Prevention Zhangdian District， Zibo， Shandong Province， Zibo 255000， China）

Abstract： Objective： To study the application of microwave evaporation concentration technique in the determination of total α and total β radioactivity in drinking water and to establish a method for sample pretreatment. Method： After the sample was concentrated by microwave evaporation， salinized and burned， the sample source was made， and Win-8a two-channel low background αβ meter was installed on the machine. Result： The average recovery of total α activity was 93.6%， the average recovery of total β activity was 95.2%， the relative error was between 6.35% and 8.20%， the average lower limit of total α detection was 0.007 Bq/L， average lower limit of total Beta detection 0.012 Bq/L. Conclusion： Microwave evaporation sample pretreatment technology can greatly shorten the detection time and reduce the labor intensity. It has a wide application prospect in the detection of total α and β radioactivity in drinking water.

Keywords： microwave evaporative concentration technology; radioactive index; drinking water

生活飲用水中總α和總β放射性指標為水質常規檢測指標，檢測方法為《生活飲用水標準檢驗方法 放射性指標》（GB/T 5750.13—2006）[1]。一般情況下，生活飲用水中總α、總β放射性活度值較低，在測量過程中，需先將一定體積的水樣蒸干，然后測定干燥后殘渣的放射性活度。國標方法中前處理濃縮步驟是在電熱板上進行，溫度要求非常苛刻，操作過程存在耗時長、多次轉移導致樣品易損失、檢測人員勞動強度大等問題。隨著微波蒸發濃縮技術的發展，水樣快速濃縮技術越來越成熟。目前微波蒸發濃縮技術在生活飲用水放射性指標檢測方面還沒有國標方法。本文參照國家標準GB/T 5750.13—2006檢測方法的基本理論，建立了微波蒸發濃縮、高溫灰化前處理方式，采用比較測量法[2-3]對生活飲用水中總α、總β放射性指標同時測量進行了研究。

1 材料與方法

1.1 儀器與設備

WIN-8A型二路低本底αβ測量儀（山東海強環保科技有限公司）;HXN-W20微波水樣蒸發器（青島核興）;控溫電熱板（北京萊伯泰科儀器有限公司）;陶瓷纖維馬弗爐[能在（350±10）℃下控溫加熱];CP225D電子分析天平（感量0.1 mg）;不銹鋼測量盤（Φ45 mm，載樣面積15.9 cm2）。

1.2 試劑

241Amα標準源粉末（中國計量科學研究院，比活度為14.7 Bq/g）;40Kβ標準源粉末（中國計量科學研究院，比活度以KCl計，為16.1 Bq/g）;硝酸（優級純）;硫酸（優級純）;碳酸鈣（基準試劑）;有機溶劑（無水乙醇和丙酮按1∶1體積混合，分析純）[4];實驗用純水為去離子水。

1.3 實驗方法

1.3.1 水樣的采集與保存

按每1 L水樣加（20±1）mL硝酸的比例，將相應的硝酸加入處理好的聚乙烯塑料桶中，采集水樣，低溫儲存，并盡快分析。

1.3.2 標準源制備

分別稱取一定量的241Amα標準源粉末、40Kβ標準源粉末，研磨成細粉，350 ℃烘干1.5 h，干燥器冷卻，準確稱取160 mg，各兩份，置于測量盤內，滴入少量無水乙醇和丙酮（1+1），混合液，用玻璃棒和環形針使盤內粉末均勻鋪開，如果顆粒較大，可用玻璃棒將其碾碎[5]。將鋪好的標準物質放到干燥箱中50 ℃穩定15 min，然后放入干燥器內冷卻，待測量使用。

1.3.3 水樣預處理

（1）蒸發濃縮。將1 L水樣加入微波水樣蒸發器蒸發盤中，設置蒸發溫度80 ℃，時間90 min，當水樣濃縮到50 mL時，關閉電源，將濃縮液轉入

125 mL已稱重的瓷蒸發皿中，用洗瓶（內裝純水）充分沖洗蒸發盤，洗滌液并入瓷蒸發皿。將蒸發皿放到電熱板上控溫340～350 ℃，微沸濃縮約50 mL。

（2）硫酸鹽化。吸取1 mL硫酸沿器壁緩慢加入瓷蒸發皿，與濃縮液充分混合，控溫340～350 ℃，直至無煙霧產生。

（3）灼燒。將瓷蒸發皿連同殘渣一起放入陶瓷纖維馬弗爐，（350±10） ℃，烘烤1.5 h，冷卻后準確稱量，用差減法計算灼燒后固體殘渣的質量，稱量過的蒸發皿及殘渣立即放回干燥器，并盡快用于樣品源制備[6]。

（4）樣品源制備。在干燥環境下，用玻璃棒將灼燒后稱量過的固體殘渣刮下，在瓷蒸發皿內研細、混勻，稱取160 mg殘渣粉末于測量盤內。以下操作按照標準源制備。

1.3.4 本底測量

WIN-8A型二路低本底αβ測量儀開啟預熱

30 min以上，用清潔干燥的空測量盤連續測量本底，每次3 600 s，測量周期10次，分別測定αβ本底，計算平均值。

1.3.5 標準源刻度儀器

從干燥器中取出制備好的α標準源，送入儀器內進行α標準源效率測量，一路、二路同時進行，每次3 600 s，測量周期10次，共36 000 s。重復上述測量，取平均值。β標準源效率測量與α標準源相同。

1.3.6 樣品源測量

將樣品源置于低本底α、β測量儀內同時測量樣品中總α和總β計數率，測量時間每次3 600 s，測量周期10次。測量儀器工作條件始終保持一致。

1.3.7 計算

相關參數計算公式如下：

式中：ε（α/β）為α/β標準源計數效率，%;Rs（α/β）為測得的α/β標準源平均計數率，計數/s;R0（α/β）為測得儀器本底的α/β平均計數率，計數/s;As（α/β）為α/β標準源比活度，Bq/g;Ms（α/β）為裝在樣品盤中被測量α/β標準源質量，mg;c（α/β）為測得樣品中總α/β活度濃度，Bq/L;Rb（α/β）為測得樣品中

總α/β計數率，計數/s;εs（α/β）為α/β標準源效率，%;V為水樣體積，L;m為水樣蒸干灼燒后所得總殘渣量，mg;mb為裝入樣品盤的被測殘渣質量，mg;1.02為每1 L水樣加入20 mL硝酸的體積修正系數;

Sc為標準偏差;Cmin為探測下限;tb、t0分別為樣品和本底測量的總時間，s;當置信水平為95%，K=2。

2 結果與分析

2.1 待測水樣蒸發體積的預估

WIN-8A型二路低本底αβ測量儀是采用比較測量法對生活飲用水中總α和總β放射性指標同時進行測定，儀器操作規程要求參與上機的水樣殘渣為10A（A為測量盤的面積，15.9 cm2），儀器操作規程推薦稱取殘渣為160 mg。這樣既能滿足測量總α活度的有效厚度，又使β自吸作用可以忽略[7]。為滿足上機殘渣的條件以及減少檢測時間，需對水樣中無機鹽含量進行預實驗，對待測水樣蒸發體積進行預估。溶解性總固體是生活飲用水的必測指標，可以反映無機鹽含量，放射性指標樣品源制備過程中沒有對水樣中不溶物進行過濾，在制備樣品源的過程中又加入硫酸等，因此固體總殘渣含量大于溶解性總固體含量[8]。因此在制備樣品源時，檢測溶解性總固體的含量，可以對待測水樣的蒸發體積進行預估。在實踐中發現溶解性總固體含量超過200 mg/L的水樣，可以取1 L水樣進行樣品源制備，而低于200 mg/L的水樣，根據實際含量的多少，取水樣2～5 L進行樣品源制備[9]。

2.2 水樣蒸發方式的比較

本實驗對高、中、低殘渣量不同的水樣，根據預估體積，采用微波蒸發濃縮（方式1）與國標法

GB/T 5750.13—2006電熱板加熱濃縮（方式2）進行了比較，每個濃度取6個平行水樣，其中3個水樣采用微波蒸發濃縮，另外3個采用電熱板加熱濃縮。分別對殘渣量、蒸發用時進行比較。蒸發用時結束時間為水樣濃縮約為50 mL，即鹽化之前。高殘渣的水樣為出廠水，是轄區內偏遠農村地下水;中殘渣量水樣為集中供水出廠水，低殘渣量的水為轄區內居民凈化后的末梢水。殘渣高濃度水樣編號1，殘渣中濃度水樣編號2;殘渣低濃度水樣編號3，結果取平均值，見表1。

由表1可知，微波蒸發濃縮方式的殘渣量高于電熱板蒸發濃縮方式的殘渣量，這與微波蒸發式低溫80 ℃蒸發方式有關，水樣微沸，沒有樣品濺出，不用反復添加樣品，并且減少了樣品的多次轉移環節。從蒸發用時來看，微波蒸發濃縮用時要遠遠小于電熱板加熱用時。微波輻射能量將水分子加熱，在80 ℃微沸的情況下就可以快速蒸發。通過預實驗，HXN-W20微波水樣蒸發器可以將1 L水樣在80 ℃，90 min濃縮到50 mL。對于像殘渣量低的水樣編號3，濃縮3 L水樣時，方式2比方式1多用4.5 h，檢測過程中還必須時刻關注電熱板溫度，使水樣微沸，條件不好掌握。為了防止濺出，水樣要少量多次的加入，增加了檢驗人員的工作量以及勞動強度。

2.3 本底測量

生活飲用水中總α和總β活度較低，接近于本底值，本底值參與樣品活度結果和探測下限的計算，因此本底值需多次檢測取平均值，保證儀器性能的穩定。測量本底前需用酒精棉棒擦凈測量盤，干燥后使用;不能用硬質物品刮擦測量盤，以免產生刮痕，影響測定。選擇本底值低的測量盤為測量盤，并繪制本底測量質控圖[9]。α和β標準源的工作效率刻度以及樣品源的測定，必須使用同樣的儀器條件，使用相同的本底值參與計算。每次3 600 s，測量周期10次，連續10次測量本底值，總α本底值平均計數為0.2，總β本底值平均計數為26.3。

2.4 與國標法放射性指標結果比較

對高、中、低殘渣量不同的水樣經過微波蒸發、電熱板加熱兩種濃縮方式取得固體殘渣，分別制備樣品源，上機檢測放射性指標，各平行測定3次，測定結果取平均值，見表2。

由表2可知，微波蒸發濃縮與國標電熱板加熱濃縮兩種樣品前處理方式測定總α放射性指標平均相對誤差在2.7%～4.5%;測定總β放射性指標平均相對誤差在4.7%～6.3%。符合國標GB/T 5009.3—2006關于相對誤差的要求[10]。

2.5 加標回收實驗

分別以飲用水1（水源為地下水）和飲用水2（水源為引黃集中供水）為本底，加入一定量的241Am標準源粉末和40K標準源粉末，將本底水樣和加標水樣同時按本實驗方法進行微波蒸發濃縮處理，并測量總α、總β放射性，各重復試驗5次，總α活度值平均回收率為93.6%，總β活度值平均回收率為95.2%，相對偏差在6.35%～8.20%，與文獻[11]結果一致，滿足分析測量要求。回收率均值和精密度見表3。

2.6 探測下限

由1.3.7探測下限計算公式可以看出，探測下限與樣品計數率、本底計數率、樣品的測量時間、本底的測量時間、標準源計數効率和總殘渣的含量等都是密切相關的。在標準源探測效率一定的情況下，對某一水樣延長樣品和本底的測量時間，可以有效降低探測下限，使探測更加靈敏。但檢測時間的延長，樣品源會吸潮，反而會導致結果誤差增大。經過多次實驗，樣品和本底測量周期時間為60 min，測量次數為10次，總測量時間為36 000 s，可以取得良好的探測下限[11]。經過對轄區內某一水樣連續檢測5次，總α放射性指標探測下限平均為0.007 Bq/L，總β放射性標探測下限平均為0.012 Bq/L，均低于國標法推薦的0.016 Bq/L探測下限。

3 結論

微波蒸發濃縮前處理方法可以使水樣低溫微沸狀態下快速濃縮，大大縮短前處理時間。對于批量檢測、大容量水樣濃縮可以大大提高分析效率，減少檢驗人員的工作強度。在濃縮過程中樣品減少了轉移次數，降低了樣品在轉移過程中流失的風險，由于空間密閉，外來干擾物質無法隨著樣品前處理環節影響檢測結果。微波蒸發濃縮前處理方法總α活度值平均回收率為93.6%，總β活度值平均回收率為95.2%，相對誤差在6.35%～8.20%，符合檢測要求，總α探測下限平均0.007 Bq/L，總β探測下限平均0.012 Bq/L，均低于國標法推薦的0.016 Bq/L探測下限。總之微波蒸發濃縮樣品前處理技術大大提高了分析效率，降低了勞動強度，在生活飲用水中總α和總β放射性指標檢測方面具有廣泛的應用

前景。

參考文獻

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