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2024-01-02 20:05

评估天然放射性和评估因使用波兰生产的肥料而增加的剂量


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摘要。

某些类型的肥料可能含有不同数量的天然放射性核素,如238U, 232Th, 226Ra, 40K (kuzmanoviaeet . J .放射性核化学,31(12):5825 - 5834,2022。10.1007 / s10967 - 022 - 08646 x;王晓明等。放射性化学学报[J] . 21(2): 331-336, 1995。10.1007 / BF02038431;M García-León et al. [J] .放射化学学报,1997,1(1):173-184,1995。10.1007 / BF02040229)。在这项研究中,选择了波兰生产的16个市售肥料样品进行初步放射学评价。样品采用低本底伽马能谱法测定。结果表明,钾肥和多养分肥料中40K含量较高(2.3 ~ 13.8 kBq kg−1),磷肥中铀和镭同位素含量较高。所得结果可用于计算镭当量活度、吸收剂量率增量和年有效剂量当量增量。

介绍

矿物肥料的典型分类(即所谓的N-P-K惯例)是基于主要营养成分的浓度:氮(N),磷(P),钾(K)。在肥料中,可以找到含有上述一种元素的单一营养(或直接),含有两种元素的二元肥料和最常用的一组,即NPK肥料,含有不同数量的所有上述元素。

波兰有着悠久的农业历史,加上国内有丰富的硫磺和磷矿资源,为化学工业的发展创造了良好的条件。为了满足二战后波兰农业对化肥日益增长的需求,生产能力的提高是必要的。2017年,波兰的磷、钾和氮磷钾肥料消费量在欧盟国家中排名第二[1]。

最初,波兰生产化肥的化工厂是作为独立实体运作的,每家专门生产一种化肥。目前有两大集团联合着大多数最大的化工厂。个别工厂的工业生产概况主要集中在氮基组分上,只有一家工厂专门加工磷矿。此外,一个独立于上述集团经营的工厂是Tarnobrzeg地区前硫磺矿的继承者,专门生产含硫成分。这种复杂的情况使大多数肥料生产商在国内生产和进口之间实现供应来源的多样化。

用于生产肥料的磷矿是一种沉积岩,含有高浓度的磷矿物。欧洲的磷矿相对较少,但有几个欧洲国家(如芬兰、西班牙)开采了它们的磷矿。在波兰也开采和加工较小规模的磷矿,在该国的几个地区,特别是Świętokrzyskie Voivodeship在波兰中部,Gierczyn地区在波兰西部和卢布林盆地位于波兰东部。值得一提的是,由于铀和钍同位素的浓度与肥料中P2O5的含量之间存在关系,磷酸盐成分给肥料引入了相当数量的放射性杂质。因此,磷酸盐成分通常被归类为NORM(天然存在的放射性物质)[2,3,4]。

由于波兰肥料的使用量相对较高,因此必须调查最受欢迎品牌的放射性同位素浓度,并评估其对人口辐射安全的潜在影响。关于肥料中放射性核素浓度研究的科学论文数量不断增加,但所描述的论文大多集中在远离中欧的地理区域,如亚洲、阿拉伯半岛、非洲或南美洲生产的肥料[5,6]。其原因是土壤质量差或适合农业的面积小,这导致这些地区对主要通过施肥实现的单位面积粮食高产率的需求增加[7,8,9]。人们对波兰肥料的放射性明显缺乏了解。这一问题的重要性在Olszewski等人的研究中得到了体现,他们证实了磷石膏废堆对当地环境的负面辐射影响,这是Gdańsk磷肥工业生产的磷矿肥沉积的结果。[2]。

在这项工作中,为了计算天然放射性核素(235U, 232Th, 226Ra, 40K)的浓度,对波兰生产的几种市售肥料进行了伽马能谱测量。所获得的结果以及化学成分和剂量建议被用来计算从辐射防护的角度来看很重要的几个因素。

实验

样品

总共检查了16个样品,所有这些样品都是波兰化学工业生产的市售肥料。所研究的肥料主要根据其拟议用途进行区分。9个品牌的家用产品是从当地的五金商店或园艺商店收集的,而7个品牌的农业产品(通常大量销售)则直接从农民那里获得。为了进一步划分样品,对化学成分进行了进一步的研究,然而,肥料中宏量营养素部分的差异可以忽略不计,因此根据建议用途进行的初始划分仍然存在。

所研究的肥料组成如图1所示。图中所示的浓度描述了肥料的活性(营养)部分,非活性部分(填料)通常由不溶性化合物组成,未被考虑在内。

图1
figure 1

所研究肥料的化学成分,其中N、P、K、S分别代表NO3−、P2O5、K2O和SO3,微量元素用“其他”标记。

如图所示,最常见的一类是NPK肥,只有3种直磷肥、2种直氮肥和1种直钾肥。所研究的两种肥料为特殊二元肥料,即磷钾(PK)肥和磷氮(PN)肥。主要元素的浓度是根据肥料制造商提供的信息计算的。

样品制备

所研究的大多数肥料都是由同质物质形成的颗粒形式,只有几个样品是由不同类型颗粒的混合物组成的。然而,对于所有的样品都应用了一个分析程序。为了使肥料的各组分得到合理的分配,在叶片磨床上进行研磨,并通过0.5 mm的筛网进行筛分。

均质后,将物料转移到450 cm3的塑料Marinelli烧杯中。烧杯是空气紧密封闭的,另外用橡胶泡沫胶带密封,以防止氡气逸出。密封的样品至少保存21天,这是226Ra及其后代(214Pb和214Bi)之间达到放射化学平衡所需的时间[10]。

伽马能谱

样品用伽马能谱法测定。本研究使用的堪培拉GX 3520探测器配备了碳复合窗。采用由钢、铅、镉和铜组成的被动定制屏蔽,减少了本底辐射。典型的计数时间为18 ~ 24 h。采用Currie法测定,226Ra、228Ac、235U和40K的最小活性浓度分别为14.1 Bq kg - 1、2.7 Bq kg - 1、0.9 Bq kg - 1和8.2 Bq kg - 1[11]。

利用Gennie 2000软件对效率进行了数值标定。每个样品单独建模,得到效率曲线。

为了进行几何建模,使用了生产商提供的化学成分。此外,已知的烧杯体积和材料的质量被用来计算密度。

效率校准通过IAEA-447认证标准物质测量进行验证。

镭等效活度(Ra情商

镭当量活度(Raeq)是环境监测、职业安全和公共卫生领域常用的参数。它用于评估与NORM材料中存在的天然伽马排放物相关的潜在健康风险,因为它可以统一不同同位素引起的辐射暴露效应。Raeq由下式计算:

(1)

其中分别为226Ra、232Th和40K的活度浓度。式1中的因子由Mahamood[12]提出,表示上述同位素对γ剂量率的贡献。

吸收剂量率增加()

吸收剂量是辐射防护中的一个重要因素,可以对土壤辐射对人体的潜在负面影响进行前瞻性评估。为了计算使用肥料在地面以上1米处引起的外部伽马剂量率,使用了辐射科委会报告中的换算系数。Ḋinc由式2计算得到。

(2)

式中为土壤中226Ra、232Th和40K的活性浓度,其中kRa为226Ra的转化因子0.462 (nGy kg h−1 Bq−1),kTh为232Th的转化因子0.604 (nGy kg h−1 Bq−1),kRa为40K的转化因子0.0417 (nGy kg h−1 Bq−1)[13]。

根据Ugolini等人[14]给出的方法,本计算的目的是评估肥料处理后土壤吸收剂量的增加,而不是肥料本身。为此目的,作了下列假设。

计算了5 cm厚、1.3 g cm−3密度的土层中引入土壤的元素浓度。这代表了波兰耕地土壤的典型特性[15]。要分散的肥料量取自生产商提供的每种肥料的推荐剂量。由于预期作物类型或一年中的时间之间的剂量建议有很大差异,因此本研究考虑了最大值。

年有效剂量当量增加(AEDE)

年有效剂量率增加的结果用于进一步计算,以便提供有效剂量年增加的信息。EADE由下式计算:

(3)

(3)中的0.2因子表示在户外度过的平均时间[13]。吸收剂量与有效剂量的换算系数取自Diwa等[16]。


目录

摘要。
介绍
实验
结果与讨论
结论
参考文献。

作者信息
道德声明






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结果与讨论

活性浓度

235U、232Th、226Ra和40K的活性浓度见表1。235U和40K的活度分别由143.8 keV和1460.8 keV伽马线直接计算。以228Ac和212Pb为活度平衡,计算了232Th钍的活度。226Ra的活度也可以通过假设与子代元素(即214Pb和214Bi)的平衡来计算,也可以通过186.2 keV的直接计数来计算。第二种方法需要从235U(行185.7 keV)中减去重叠计数,因此具有更高的不确定度。

表1活动单位伽马射线的浓度研究样本中的核素

氮肥是唯一的样品,几乎所有的结果都低于最低活性浓度。它表明,在这种情况下,伽马放射性核素进入环境(从而进入食物链)的影响可以忽略不计。

在多养分肥料中,氮磷钾肥料的40K活性浓度最高(最大值为6110±600 Bq kg - 1),而单养分钾肥的40K总活性最高(13800±1400 Bq kg - 1)。这些结果与样品中不同量的天然钾中40K的浓度直接相关。磷肥的235U和226Ra活性较高,其中铀(69.3±7.4 Bq kg−1)和镭(2120±370 Bq kg−1)活性浓度最高的样品分别为P2和P1。

由于肥料的化学成分变化很大(图1),因此对结果进行了重新排列。将232Th和226Ra活性浓度与肥料养分部分磷浓度进行了对比。结果如图2所示。

图2
figure 2

226Ra和232Th活性浓度与肥料中磷浓度的关系

在两幅图中都可以观察到活性的增加,但226Ra的结果比232Th更符合线性趋势(标记为虚线)。通过计算Pearson相关系数验证了这一观察结果,Pearson相关系数衡量了两组数据之间的线性相关性[17]。计算出的镭和钍的系数分别为0.95和0.37。钍的弱相关性可能表明在衰变链的232Th→228Ra→228Ac部分的平衡受到了干扰。这方面需要进一步的调查,包括直接测定232Th。

镭当量和吸收剂量增加

镭当量和吸收剂量率增加的计算结果见表2。

表2研究样品的放射学参数

钾肥和磷肥的镭当量活度值最高。本研究中测得的活性最高的是钾肥,但最高的Raeq值是磷肥的特征。这反映在式1中钾活度的低转换因子中,这与40K的伽马辐射发射概率低有关,约为10.5%。

随着年有效剂量当量的增加,肥料的镭当量和推荐剂量这两个因素影响吸收剂量率的增加。尽管在整个研究中,P肥的Raeq值最高,但部分NPK肥(即NPK2、NPK4、NPK6和NPK8)的Raeq值和AEDE值均最高。这主要是由于对肥料的最大推荐剂量有不同的限制,影响了与它们一起引入更多的放射性核素。

为了与文献报道的肥料进行比较,取每组肥料的AEDE最大值作为波兰肥料的代表值。对比结果如表3所示。

表3各国化肥镭当量活度及年有效剂量当量增加量

结论

与其他欧洲国家相比,波兰用于农业生产的人造肥料的消耗量明显高得多,但是观察到缺乏关于这些肥料中放射性核素浓度的资料。在这项工作中,研究了16个市售肥料样品。

磷肥中铀和镭同位素的活性最高。通过计算Pearson相关因子,证实磷含量与226Ra活性呈正相关。232Th活性与磷含量的相关因子值较低,有待进一步研究。

研究发现,其中有7例的镭当量(Raeq)超过了原子能机构规定的370 Bq kg−1的限值,最高的结果几乎是限值的6倍[18]。另一方面,根据所得结果计算的吸收剂量增长量和有效剂量年增长量可以得出结论,所研究的肥料不存在显著的放射性危害。AEDE的最高值为0.67 mSv y - 1,与波兰的自然伽马辐射2.48 mSv y - 1相比,这是相当低的[19]。

将结果与现有数据进行比较后可以得出这样的结论:尽管波兰肥料具有最高的镭当量活度,但就吸收剂量增加和有效剂量的年增加而言,与其他国家相比,波兰肥料没有达到任何极端值。