T. C. ATOM ENERJİSİ KOMİSYONU

Transkript

1 T. C. ATOM ENERJİSİ KOMİSYONU ANKARA NÜKLEER ARAŞTIRMA MERKEZİ Teknik Raporu : J\.."T..Z.7":/J.

2 HAVA KİRİNDE BOLDNAN ESER ELEMENTLERİN NÖTRON AKTÎVASYON ANALİZİ YÖNTMÎYLE ÖLÇÜLMESİ 1, Kısım T.ALTAN - A.KUT - D.ZÜT - P.PAMÜK Mayıs, 1973

3 ÖZET KSmtir, petrol ve artıkların yanması sonucunda havaya devamlı olarak verilen çeşitli gazlar, toz ve dumana ilâveten "birçok eser element de havaya karışmaktadır. Bu çalışmada nötron aktivasyon analizi yöntemi ile ve kimyasal ayırmalar uygulanarak bu eser elementlerden bir kısmının kalitatif ve kantitatif tayinleri yapılmıştır. Bulunan elementlerden birçoğunun toksik olması konunun önemini artırmaktadır, SUMMARY In addition to different gases, smoke and dust, several trace elements are continuously "being introduced into the atmosphere by burning of coal, oil snd refuse. In this work some of these trace elements were determined by neutron aotivetion analysis applying chemical separation technique. Many of the elements found are highly toxic ones.

4 İÇİNDEKİLER 1. GÎRİŞ 2. MATERYAL VE YÖNTEM 2.1. Numunelerin toplanması, hazırlanması ve ışınlanması 2.2. Analiz Yöntemi 3. SONUÇ VE TARTIŞMA 4. KAYNAKLAR

5 l.gîriş İnsanlara gerekli ısıyı temin etmek için kullanılan yakıt maddeleri, endüstri artıkları ve motorlu trafik araçları havaya devamlı olarak çeşitli maddeler karıştırmaktadırlar. Bunlardan başlıcaları CO, CO, SO?, NO, O gibi gazlar, organik asidler ve buharlar, hidrokarbonlar, uçucu küller sis ve dumandır. Bu arada birçok eser element de havaya çeşitli kaynaklardan verilmektedir. Önemli bir endüstri şehri olmamakla beraber yakıt maddelerinin bilgisizce yakılması, düzensiz trafik, ağaçlandırmaya yeteri kadar önem verilmemesi ve en önemlisi topoğraf ik yapısı neûeniyle Ankara son yıllarda havası en kirli şehirlerden birisi olmuştur. Havada bulunan yabancı maddelerden pek çoğu çeşitli zararlı etkiler ;_!.' gösterdiğinden bunların devamlı olarak kontrol ve analizleri gerekmektedir. Azot oksitleri, kükürt dioksit ve toz miktarı tayinleri T.B.T.A.K. ve Hıfzıssıhha Okulu gibi Kurumlarca yapılmaktadır. Baer elementlerin tayini ile ilgili bir çalışmaya rastlanmamıştır Bu eksikliği doldurmak amacıyla laboratuvarımızdp bu çalışmaya başlanmıştır. Eser elementlerin havadaki konsantrasyonları çok düşük olduğundan miktarlarının tayininde en uygun yöntem aktivasyon analizidir. Diğer bir çok ülkelerde özellikle Amerika Birleşik Devletleri ve İngiltere'de bu konuda yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmaların büyük bir kısmında enetrumental nötron aktivasyon analizi ve komputer tekniği

6 2 - uygulanmış tır (2,3,4,5,6,0* Ancak bu uygulama ayırma gücü çok yüksek olan Ge-Li detektör sistemini gerektirmektedir. Böyle bir sistemle kadar element hiç kimyasal ayırma yapmaksızın tayin edilebilmektedir. Merkezimizde bulunan Nar T (Tl) kristalli detektörün ayırma gücü yeterli olmadığından böyle bir çalışma yapmak imkânsızdır. Şekil 1. de bir numunenin NaT(Tl) detektörü ve 6e(Li) detektörü ile alınmış spektrumları [2] görülmektedir. Aradaki büyük fark kimyasal ayırma yapmaksızın Nal(Tl) detektörü ile çalışmanın güçlüğünü ortaya koymaktadır. Bu nedenle çalışmalarımızda kimyasal ayırma yöntemi uygulanmıştır. Yabancı memleketlerde yapılmış bazı çalışmalarda da bu yol kullanılmıştır, [7,8,9j 2. MATERYAL VE YÖNTEM 2.1. Numunelerin toplanması, hasırlanması ve ışınlanması Çalışmanın ilk kısmında numuneler sadece Ankara Nükleer Araştırma Merkezinden alınmıştır. Her numune fiber glass (936 AH) filtre kağıdından yaklaşık 56$ ur hava geçirilmek suretiyle toplanmıştır. Bu işte ünico 506 hava toplama sistemi kullanılmıştır. Her bir numune el değmeden iki parçaya bölünmüş ve kon t amin e olmamasına itina edilerek kvartz tüplere yerleştirilmiştir. Tayin edilecek elementlerin belirli konsantrasyondaki çözeltileri de kvartz tüplerde dikkatle buharlaştırılarak gerekli standartlar hazırlanmıştır. Numune ve standartların ağzı alüminyum toillerle sıkıca kapanarak ışınlamaya hazır duruma getirilmiştir.

7 - 3 - Whatman 42 filtre kağadı aktivasyon analizi için daha uygunsa da hava toplama sisteminin motorunu zorlıyarak aşırı ısınmaya sebep olduğundan kullanılamamıştır, 500 nr havanın çekilmesiyle elde edilen &ir diktan günün saatlerine bağlı olarak (kış mevsimi için) 105 mgr le 50Ş mgr arasında değişmektedir. Bu kirin büyük bir kısmı kar bondur. Her defasında belirli hacimde havaya tekabül eden bakiye miktarları farklı olduğundan sonuçlar m hava başına ifade edilmiştir. Numune ve standartlar aynı şartlarda uzun yarı ömürlü izotopların tayini için 4-6 saat, kısa yarı ömürlü olan lar için ise 3-5 dk îşınlanmışlardır. (Alır ^10 in/cm sn) ışınlama işlemi Çekmece TR-1 reaktöründe yapılmıştır. Yarılanma süresi uzun olanlar için kimyasal ayırma uygulanmış, kısa olanların sadece belirli aralıklarla spektrumları alınmıştır Analiz yöntemi Işınlanan numunelerin analizine İstanbul'dan gelmeleri nedeniyle bir veys iki gün sonra başlanabilmiştir. Kalitatif tayinler için sadece grup ayırmaları uygulanmış, kantitatif tayinler ise kimyasal saflaştırmalar sonunda yapılmıştır. Ayırma yöntemi şematik olarak şöyle gösterilebilir.

8 - 4 - Numune * taşıyıcılar HF -T HNO. Karışımında çözülür, buharlaştı- * tırılı 1 N HC1 e ayarlanır ve santrifüjlenir. Diğer elementler 13 IB. İN asidli çözeltiden H S le Ce,La, Sc,flörürler Karbon vs. 1A i İA Plorür çökelekleri Borikasid HNO karışı- H S grubu çöktürülür, santrifüjlenir, 3 Çökelek 2B Cu, Hg,As,Sb... Çökelek *5 lik NH.cl ve HpS li su ile yıkanır. Süzüntü Zn,Pe,Cx,Ba,N8, 2A j 2mK0Nt çok az destile su ilavesiyle karıştırılarak su banyosunda ısıtılır, santrifüjleri ir. mında çözülür. Çözünmiyen kısım (esas olarak karbon) atılır, Çöeeltiden Sc,Ce vela ayrılarak saflaştırılır ve tartılırlar. (10j Spektrometre / Çökelek Cu, Hg HNO Süzüntü As,St. JA / Çözelti Cu Çökelek aflaştiriler ve tartılırlar. (11,12J * spektrometre

9 - 5-3A-^HC1 leasidlendirilip H Sle muamele edilir, As 2 S 3 + Sb 2 S 3 Derişik HC1 le muamele edilir. Çökelek As 2 S Çözelti Sb Cl 6 Saflaştırılır ve tartılırlar Spektrometre j13,14j 2A Pe,Cr f Zn,Ba,Na NH.OH le muamele edilir ve santrifüjlenir Çökelek Pe,Cr Hidroksit çökelekleri ayrılır ve saflaştırılır, Spektrometre Süzüntü Zn, Ba, Na Borik çözeltiden H S geçirilir, Çökelek. Zn S Na, Ba. Saflaştırılır ve tartılır. İ5! Spektrometre

10 - 6 - Bu ayırma ve saflaştırmalar bir günde tamamlanabilmektedir. Standartlar da ayra işlemt tabiî tutulur. Saflaştırmalar tamamlandıktan sonra kurutulan ve tartılan numune ve standartlar 3 inchlik Nal(Tl) edetektörü ile aynı geometride sayıldılar. Spektrumlarındaki fütopiklerin alanları karşılaştırılarak kimyasal verim ve zaman diriltmeleri de yapılarak miktarları hesaplandı. 3. SONUÇ VE TARTIŞMA a ) Kısa Yarılanma süresine sahip elementlerin tsyini İstanbul'da Çekmece Araştırma ve Eğitiiü Merkezine gidilerek yapılmıştır. Ancak orada da henüz Ge(Li>> detektörü monte edilmemiş olduğundan spektrumlar Naj(Tl) detektörü ile alınmıştır. Belirli zaman aralıkları ile alman spektrumlardan bir örnek şekil 2 de görülmektedir. 5 dk ışınlama sonucu havada bulunan elementler cetvel 1 de verilmiştir, Bunlardan sadece mangan*m miktarı diğer radyoizotoplar parçalandıktan sonra tayin edilebilmiştir. b ) Orta ve uzun yarılanma süresine sahip elementler, Saflaştırmalardan sonra bile cıva aktivitesi ölçülememiştir. Bu muhtemelen spektrumun düşük enerji bölgesindeki gürültüden ileri gelmektedir. Cıva tayini başka yöntemle yapılacaktır. Fe-59, 6r-51 gibi uzun yarı ömürlü radyoizotoplar veren elementler 3-4 saatlik bir ışınlama sonucunda ölçülebilecek miktarda aktiflenememişlerdir.bir haftalık bir ışınlama sonunda bunların havada bulundukları görülmüş, fakat miktarları tayin edilmemiştir. Brom da bulunmakla beraber

11 - 7 - miktarı Ölçülmemiştur. Yapılan analizlere ait bazı grafikler şekil 3 ve 4 de analiz sonuçları ise cetvel 2 de verilmiştir. Her bir değer en az 5-6 analiz sonucunun ortalaması alınarak hesaplanmıştır. Ayrıca filtre kağıdında bulunan elementlerden bir kısmı da aktivasyon analizi ile tayin edilmiştir. Bu değerler cetvel 3 te gösterilmiştir. Havada bulunan miktarlar filtre kağıdındaki miktarlar çıkarıldıktan sonra tekrar hesaplanmış sonuçlar fazla değişmemiştir. Bulunan elementlerden bazılarının toksik olması önemlidir. Eser elementlerin vücutta belirli miktarlarda iken enzimlerin faaliyetlerine katalizör olarak etki ettikleri bilinmektedir. Ancak miktarlarının artması halinde zararlı olabilirler. -O * Havada bulunan arsenik miktarı 4, gr/m olarak ölçülmüştür. Normal bir insan dakikada ortalama 20 solunum yapmaktadır. Bir solunumda alınan hava ise 520 mi d ir. Buna göre 24 saatte alınıp verilen hava miktarı 14,400 İt veya 14,4 m dür. Bu kadar havada 6,7. 10 gr arsenik bulunmaktadır. Bunun belirli bir kesiide vücutta tutulmaktadır. Bu hesap diğer elementler için de yapılabilir. Sonuç olarak hava kirliliğinin zararlı etkileri arasına toksik elementlerden gelecek olanlar da katılmalıdır. Toksik bir madde olan kurşun yavaş nötronlarla uygun bir reaksiyon vermediğinden spektrofometrik yolla ölçülmektedir.

12 - 8 - Çalışıaauın devamı olarak Ankara'nın muhtelif semtlerinden d8ha az bakiye bırakan bir filtre kağıdına çekilen hava numuneleri Amerika'ya gönderilmiştir. Halen Maryland Üniversitesinde bulunan arkadaşımız İlhan Ölmez oradaki olanaklardan yararlanarak numuneleri hem nötron hem foton aktivasyonuna tabii tutacaktır. Bu denemelerin sonuçları alındığı zaman ikinci bir rapor halinde sunulacaktır. TEŞEKKÜR Bu ilginç konuda çalışmamızı tavsiye eden sayın Doç. Dr.Erfüz Edgüer'e, sayımların alınmasında çok kanallı gama spektrometrö8ini kullanmamız için her türlü kolaylığı gösteren ANAM Fizik Grubuna ve numunelerimizi uzun zamandır ışınlayan ÇNAEM Radyoizotop Üretim Bölümü ve Reaktör ilgililerine teşekkürlerimizi sunmayı bir borç biliriz.

13 - 9 - CETVEL I. 5 dk lık ışınlama sonucu havada bulunduğu tesbit edilen elementler. 4 element meydana gelen aktif izotop V* E(MeV) Miktarı gr/m. Na Al Na 24 Al saat 2,3 dk 0,51.1,37 2,75 1,78 ~- Cl Mn Cl 38 Mn 56 37,3 dk 2,58saat 1,64. 2,16 0,847.1,81 4,18.1Ö Ö Br Br 80 17,6 dk 0,51. 0,62 Cu Cu 66 5,1 dk 1,04 Ca Ca 49 8,8 dk 3,08 -

14 CETVEL II. Element Meydana gelen aktif izotop t l/2 E(MeV) [Miktar ff?/m 3 Br Na Se Zn Br 82 Na 24 Sc 46 Zn 69m Zn 65 ve 35,3 saat 15 saat 84 gün 14 saat ve 245 gün 0,51 1,38 2,75 0,88 1,12 0,511 3,44 1,114 1,04 2,31 ıö ö ıö 7 La La ,2 saat 0,32 0,48 0,86 1,59 6,46 lö 9 Ce As Sb Ce 143 As 76 5b 122 Sb 124 v e 33 saat 26,5 saat 2,8 ve 60 gün 0,294 0,559 1,22 0,56 0,68 0,603 1,65 3,92 4,65 4,83 ıö 8-9 ıö 9 Cu Cu 64 12,9 saat 0,511 3,53 ıö 7 t

15 -11 - CETVEL III. Filtre kağıdında ölçülen elementler (l/2 filtre kağıdı) Element Bakır Arsenik Antimon Seryum Kalsiyum Miktarı 4,02 İÖ 6 gr Cu / (1/2 filtre kağıdı) 6,65 10 gr As / (l/2 filtre kağıdı) 6,90 İÖ 7 r Sb / (1/2 filtre kağıdı) 4, gr Ce / ( 1/2 filtre kağıdı) Çok miktarda

16 Kat (Tl) i--- 8 JLiÇ ı\ *0 1-4 M «* a rs CO \ 'V» A N/ % vî v \...--\ ' ;%v "v.v. % x 6.y»v '«Mi» t i»»»» Kanal sayısı «ı I Ge (Li) <Jİ.A, A. S» r.,. Şekil 1. Aynı numunenin Nal (Tl) ve Ge(Li) detektörleri ile alınmış spektrumları.

17 ı.coö t W ICO - Kanal sayısı Şekil 2. 5 dk ışınlanmış numunenin 39 dk. sonra Nal(Tl) dedektörü ile alınmış spektrumu.

18 Sayın/kanal ıo.oca La Standart La numune 1, mkanal sayısı Şekil 3. Kimyasal saflaştırmadan sonra Le numunesi ve La standardın spektrumları.

19 -15 - Sayım/Kanal As standardı As numune ı.ooc- 10 2# 3* Kanal sayısı Şekil 4* Saflaştirilmiş As numunesi ve As standardının spekturumları.

20 FAYDALANILAN YAYINLAR fi} R.S. Berry and P.A. lehman, Ann. Rev.Phys.Chem., 22,47 (1971) f2) W.H.Zoller and G.E.Gordon.,Anal.Chea.Vol42, 257 (1970). f3j Dams.R., et al. Anel.Chem. Vol 42, 861 (1970). f4~! S.S.Brar and P.F.Gustafson Trans. Acı.Nucl.Soc (1969). f5j S.S.Brar et al. NBS Spec.Pupl. Vol 1, 312 Modern Trends in Activation Analysis (1969), [S] G.E. Gordon et.al. Geochim. Cosmo«him.Acta 32, 369 (1968). f7j İ.W.Winchester et.al. Atmos.Environ.l, 105 (1967). T8j N.D.Dudey et.al. Modern Trends in Activation Analysis Vol.1 55 (1969). [9] W.A.Haller BNWL rioj P.C. Stevenson and W.E.Nervik NAS - NS [11] Scott»s Standard Methods of Chemical Analysis. [12] Z.Roesmer and P.Kroger NAS - NS {L3] Harold C.Beard. Nas - NS 3002 [14] W.Z.Maeck NAS - NS [15] H.C. Hicks NAS-NS (Rev).