CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Nghiên cứu tổng quan về phóng xạ trong môi trường đất Trong tự nhiên đã xác định sự tồn tại của gần 230 đồng vị phóng xạ. Theo mức độ phân bố và tổng hoạt độ phóng xạ trong vỏ trái đất chúng được chia thành các nhóm lớn.
Trong đó nhóm các đồng vị phóng xạ phân bố nhiều trong tự nhiên và mức đóng góp vào liều chiếu xạ đối với công chúng thì nhóm các họ phóng xạ urani (U), thori (Th) và các đồng vị nguyên thủy kali (40K) và 87Rb là quan trọng hơn cả. Sản phẩm phân rã của chuỗi urani là radon (222Rn) đóng góp tới một nửa liều hiệu dụng trung bình năm đối với công chúng (1,2 mSv/năm) [97]. Sử dụng năng lượng hạt nhân vì mục đích hoà bình cũng như trong các hoạt động quân sự đã tạo nên một số lượng rất lớn các đồng vị phóng xạ nhân tạo, chủ yếu là các sản phẩm phân hạch hạt nhân, các sản phẩm do hạt nhân bị kích hoạt. Bằng các phương pháp khác nhau, ngày nay người ta đã tạo được trên 1.000 đồng vị phóng xạ nhân tạo khác nhau.
Các đồng vị phóng xạ nhân tạo quan trọng nhất là những sản phẩm có suất lượng lớn sinh ra trong quá trình phân hạch và những sản phẩm có đời sống dài. Các đồng vị phóng xạ nhân tạo sinh ra trong các vụ thử vũ khí hạt nhân cũng như trong quá trình “cháy” nhiên liệu hạt nhân trong các lò phản ứng của nhà máy điện nguyên tử, các lò nghiên cứu và lò phản ứng hạt nhân chuyên dụng. Các đồng vị phóng xạ nhân tạo chủ yếu gồm: plutoni (238Pu, 239Pu, 240Pu), xezi (137Cs), stronti (90Sr), iốt (125I, 131I), americi (241Am),…[2, 37, 110]. Phóng xạ tự nhiên trong môi trường đất Phóng xạ tự nhiên phân bố trong mọi thành phần môi trường của trái đất.
Nó tồn tại trong đất, trong các loại nhiên liệu hóa thạch, trong nước, trong không khí, trong một số loại quặng chứa phốt phát và trong thảm thực vật. Có nơi hàm lượng phóng xạ tập trung cao tạo thành các mỏ phóng xạ, ví dụ mỏ urani ở Gabon (Nam Phi) và một số nơi khác ở Mỹ, Nga, Trung Quốc, Séc, Úc, Việt Nam, v. Phóng xạ tự nhiên quan trọng nhất là các các sản phẩm phân rã của họ phóng xạ 238U, 232Th, 235U, 237Np. Chúng quan trọng bởi gần như 90% liều chiếu xạ tự 13 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com nhiên lên cơ thể con người trên phạm vị toàn cầu là từ các đồng vị này.
Phần liều bức xạ còn lại gây bởi một số đồng vị tự nhiên có thời gian bán phân rã dài như 40K, 50 V, 113Cd, 115In, 123Tc, 138La, 142Ce, 144Nd, 147Sm, 152Gd, 174Hf, 176Lu, 187Re, 190Pt, 209 Bi [2, 64]. Các đồng vị có thời gian bán phân rã dài ngang bằng tuổi trái đất (hàng tỷ năm) được gọi là đồng vị nguyên thủy, trong đó phải kể đến 40K vì đồng vị này theo chuỗi thực phẩm thâm nhập nhiều vào cơ thể và gây liều chiếu trong.1 trình bày độ phổ biến của 4 đồng vị tự nhiên có ảnh hưởng lớn đến liều chiếu công chúng [108]. Thời gian bán phân rã và độ phổ biến của các đồng vị phóng xạ tự nhiên có mức đóng góp chủ yếu vào mức liều bức xạ đối với công chúng Nh©n phãng x¹ Thêi gian b¸n phân rã (n¨m) Độ phổ biến đồng vị (%) 40 K 1,26.109 99,274 Trong môi trường đất luôn có mặt các nhân phóng xạ thuộc ba chuỗi phóng xạ của 238U, 232Th và 235U. Chuỗi 237Np bao gồm các nhân có thời gian bán phân rã ngắn hơn nhiều so với tuổi của trái đất nên hầu như ngày nay không còn trong thành phần của vỏ trái đất nữa.
Trong môi trường đất, nếu không có các biến đổi gây mất cân bằng phóng xạ thì các chuỗi urani, thori sẽ có cân bằng phóng xạ vĩnh cửu. Điều này có nghĩa là hoạt độ phóng xạ của các nhân trong từng mắt xích của mỗi chuỗi là bằng nhau và bằng với hoạt độ phóng xạ của hạt nhân đầu họ. Urani khá phổ biến trong tự nhiên, nó đứng hàng thứ 38 trong số các nguyên tố có mặt trong vỏ trái đất. Urani chủ yếu có mặt trong các đá gốc.
Hàm lượng của 238 U trong đất dao động từ 2 đến 300 Bq/kg (Bq Becquerel là đơn vị hoạt độ phóng xạ; 1 Bq = 1 phân rã/giây, 1 Bq tương đương 80,92 g 238U) ) và có giá trị trung bình trên toàn thế giới là 25 Bq/kg. Hàm lượng 235U chỉ chiếm 0,72% tổng hàm lượng Urani trong tự nhiên vì thời gian bán phân rã của nó ngắn hơn khoảng 14 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com sáu lần so với thời gian bán phân rã của 238U. Hàm lượng 232Th trong đất dao động từ 2 đến 300 Bq/kg tương tự như 238U và có giá trị trung bình trên toàn thế giới là 40 Bq/kg (tương đương 2,45. Các chuỗi phóng xạ 238U và 232Th chứa nhiều hạt nhân phóng xạ ở các dạng nguyên tố hóa học khác nhau.
Do tính chất hóa học của các nguyên tố khác nhau nên trong quá trình phong hóa các nguyên tố trong chuỗi có tốc độ rửa trôi khác nhau. Điều này làm mất cân bằng phóng xạ của các chuỗi trong môi trường đất. Ví dụ, 226Ra là một thành viên trong chuỗi phóng xạ 238U, vì thế 226Ra có mặt trong tất 226 cả các môi trường có chứa urani. Tuy nhiên, Ra thường tồn tại dưới dạng các hợp chất hóa học dễ hòa tan vào nước hơn so với 238U và vì vậy trong các đá gốc 226 Ra thường bị rửa trôi nhiều hơn so với 238U.
Mặt khác, đất lại được hình thành từ quá trình phong hóa của đá, do vậy trong đất hàm lượng 226Ra thường cao hơn so với hàm lượng 226Ra cân bằng phóng xạ trong chuỗi 238U. Trong môi trường đất, hoạt độ riêng của 226Ra trung bình là 48 Bq/kg [29, 30, 47, 48, 65]. Thành phần nguyên tố, trong đó có phóng xạ của các loại đất canh tác bị ảnh hưởng nhiều bởi các hoạt động nông nghiệp, chẳng hạn như cải tạo đất bằng phân bón, tăng cường năng suất bằng sử dụng các loại thuốc trừ sâu. Phân lân thường có hàm lượng urani cao do vậy trong đất nông nghiệp ở một số vùng trên thế giới có sự tích lũy của U trong đất cần phải có biện pháp bảo vệ bức xạ.
Trong phân lân hàm lượng urani cao hơn trong đất từ 10 đến 200 lần nhưng hàm lượng Thori trong phân lại thấp hơn so với trong đất. Như vậy, tỷ lệ U/Th và hàm lượng U trong các tầng đất mặt của đất canh tác nông nghiệp cao hơn đáng kể so với đất rừng không được bổ sung thêm phân lân. Tỷ số U/Th có thể được coi là một chỉ số tốt biểu thị sự tích tụ của U trong đất nông nghiệp [32, 71, 94]. Phốt phát sử dụng làm phân bón chứa một lượng lớn phóng xạ tự nhiên (NORM) bao gồm cả urani và thori.
Phốt phát là thành phần hóa học chung của phân bón và chủ yếu có trong thành phần quặng apatit và đá phốt phát (photphorit), trong đó nồng độ phốt phát đã được tăng cường bởi các yếu tố thời tiết, sinh học cũng như quá trình trầm tích núi lửa. Phóng xạ từ urani, thori và radi của các quặng phốt phát 15 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com có thể cao đến 10 000 Bq/kg.2 trình bày hàm lượng phóng xạ tự nhiên trong đá phốt phát khai thác làm phân lân ở một số nước trên thế giới. Hàm lượng phóng xạ tự nhiên trong đá phốt phát khai thác làm phân lân của một số nước trên Thế giới (Bq/kg) [25] Quốc gia Urani Thori Ra-226 Ra-228 Mỹ 259-3700 3.7-22 1540 Brazil 114-880 204-753 330-700 350-1550 Chile 40 30 40 Algeria 1295 56 1150 Marốc 1500-1700 10-200 1500-1700 Senegal 1332 67 1370 Tunisia 590 92 520 Ai Cập 1520 26 1370 Jordan 1300-1850 Hàm lượng của 232Th và 40K trong tất cả các loại quặng phốt phát là tương đương trong đất, trong khi hàm lượng của 238U và các sản phẩm phân rã của nó thường cao hơn so với trong các lắng đọng trầm tích phốt phát. Hàm lượng điển hình của 238U trong lắng đọng trầm tích phốt phát là 1.
Qúa trình sản xuất phân lân bằng phương pháp ướt được tiến hành bằng xử lý quặng phốt phát với axit sulfuric 95%, chủ yếu là để điều chế axit photphoric, nguyên liệu đầu vào của sản phẩm phân amoni phốt phát (N-P) và phân supe phốt phát kép và supe phốt phát đơn. Quá trình sản xuất phân lân bằng phương pháp ướt sẽ làm cho phóng xạ trong quặng phân bố vào các sản phẩm.1 trình bày phân bố các nhân phóng xạ tự nhiên và kim loại nặng từ đá phốt phát vào các sản phẩm phân lân sản xuất bằng phương pháp ướt. Trong quặng phốt phát hàm lượng urani thường chiếm đến 1-2% dạng urani phốt phát [16, 44, 72]. 16 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Phân bón supe lân Axit sulfuric 70-86% U, 10-20% Ra, 70-86% Th Đá photphat + 46-70% Cd, 0-36% Cu, 51-80% Zn và (H2SO4) 74-97% Cr 100% nhân phóng xạ (U, Th, Ra) Kim loại nặng (Cd, Cu, Zn và Cr) Phân bón supe lân đơn 14-30% U, 80-90% Ra, 14-30% Th 30-54% Cd, 64-100% Cu, 20-49% Zn và 3-26% Cr Hình 1.
Phân bố các nhân phóng xạ quan trọng và các kim loại nặng từ đá phốt phát sang phân lân và supe lân đơn trong quá trình sản xuất phân lân bằng phương pháp ướt [72]. Hoạt độ phóng xạ của 226 Ra, 232Th (228Ra) và 40K trong phân lân của một số quốc gia. Đơn vị: Bq/kg [44] 226 232 Quốc gia Ra Th (228Ra) 40 K Ghi chú Ai Cập 366 66,7 4 Phần Lan 54 11 3 200 Mỹ 780 49 200 Đức 520 15 720 Pakistan 526 50 221 Italia (NPK) 120 3.5 4 000 Sản lượng khai thác từ đá phốt phát toàn cầu hàng năm đạt khoảng 140 triệu tấn, tương đương với khoảng 40 triệu tấn P2O5 mỗi năm trong suốt thập kỷ qua. Các kim loại nặng và nhân phóng xạ trong phân lân chủ yếu là từ các tạp chất trong quặng và luôn được tăng cường thêm trong đất do sử dụng phân lân trong canh tác nông nghiệp trong khoảng thời gian dài.
Ước tính hàm lượng U trung bình trong trầm tích phốt phát là 120 mg U/kg. Như vậy, với sản lượng khai thác và chế biến phân lân cùng các sản phẩm chứa phốt pho, lượng U được đưa vào môi trường hàng năm khoảng 16.800 tấn, trong 17 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com khi tổng nguồn tài nguyên U trên toàn thế giới trong các mỏ đá phốt phát ước tính khoảng 9 triệu tấn. Có thể thấy ít nhất là 70% U có trong sản phẩm cuối cùng đưa vào môi trường là phân bón làm từ khoáng phốt pho.