Βαθμονόμηση δοχείων με προσροφητικά υλικά για τη μέτρηση συγκεντρώσεων ραδονίου στην ατμόσφαιρα σε διάφορα επίπεδα σχετικής υγρασίας

Abstract

Μία από τις δύο κυριότερες παθητικές βραχυ-μεσοπρόθεσμες μέθοδους για τη μέτρηση συγκέντρωσης Ραδονίου στην ατμόσφαιρα, η οποία χρησιμοποιείται με επιτυχία από τα τέλη της δεκαετίας του 80 είναι η μέθοδος του ενεργού άνθρακα. Η μέθοδος διερευνήθηκε πειραματικά για πρώτη φορά με επάρκεια από τον George (1984). Η δεύτερη κύρια μέθοδος είναι αυτή που βασίζεται στη χρήση ηλεκτριτών και είναι γνωστή με το όνομα "E-PERMTM". Η μέθοδος αυτή αναπτύχθηκε και κατοχυρώθηκε από τον Kotrappa (1988). Και οι δύο μέθοδοι αποτελούν απλές, χαμηλού κόστους εφαρμογές μέτρησης του Ραδονίου κυρίως σε εσωτερικούς χώρους κατάλληλες για ένα αρκετά μεγάλο εύρος συγκεντρώσεων Ραδονίου. Ο ενεργός άνθρακας (τοποθετημένος συνήθως σε ανοιχτά μεταλλικά δοχεία) χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της μέσης συγκέντρωσης του Ραδονίου για περίοδο λίγων (συνήθως 3-7) ημερών. Οι ανιχνευτές τεχνολογίας E-PERMTM μπορεί να λειτουργήσουν και πιο μακροπρόθεσμα για την εκτίμηση της μέσης συγκέντρωσης του Ραδονίου για περίοδο βδομάδων ή ακόμα και μηνών. Οι δύο μέθοδοι εξαιτίας του χαμηλού κόστους τους και της ικανοποιητικής τους ακρίβειας έχουν επιτυχημένη πρακτική εφαρμογή για μεγάλης κλίμακας έρευνες, όπου δεν μπορούν να χρησιμοποιούνται περίπλοκες και ακριβές ενεργητικές τεχνικές συνεχών μετρήσεων υψηλής ακρίβειας. Δεδομένης της επιτυχίας των παθητικών ανιχνευτών Ραδονίου με ενεργό άνθρακα, από όσο φαίνεται να είναι γνωστό από τη δημοσιευμένη βιβλιογραφία, η έρευνα για εναλλακτικά του ενεργού άνθρακα προσροφητικά υλικά που πιθανόν να είναι κατάλληλα για ανιχνευτές Ραδονίου είναι περιορισμένη. Τέτοια εναλλακτικά προσροφητικά υλικά θα μπορούσαν να είναι αυτά που -όπως και ο ενεργός άνθρακας- χρησιμοποιούνται ως αφυγραντές αερίων. εδώ εννοούνται κυρίως οι ζεόλιθοι και τα silica gel. Την υπόθεση αυτή στηρίζουν και πειραματικές ενδείξεις, πως ορισμένοι τύποι silica gel προσροφούν Ραδόνιο. Βεβαίως, είναι κοινά αποδεκτό ότι η ικανότητα προσρόφησης Ραδονίου των silica gel είναι περιορισμένη σε σχέση με την ικανότητα τους για προσρόφηση υδρατμών. Για αυτόν ακριβώς το λόγο τα silica gel χρησιμοποιούνται σήμερα ως αφυγραντές στα δοχεία με ενεργό άνθρακα για την μείωση της σχετικής υγρασία στη γειτονία των κόκκων του ενεργού άνθρακα, επιτρέποντας έτσι την απρόσκοπτη προσρόφηση του Ραδονίου από τους κόκκους. Στην περίπτωση των ζεόλιθων έχει ήδη εκτιμηθεί από προηγούμενες μελέτες στο ΕΠΤ-ΕΜΠ, ότι οι φυσικοί ζεόλιθοι παρουσιάζουν μια υποσχόμενη ικανότητα προσρόφησης Ραδονίου (Karangelos, 2003). Ωστόσο λόγω των τυχαίων χαρακτηριστικών του εξορυσσόμενου φυσικού ζεόλιθου και ειδικότερα λόγω του τυχαίου πορώδους, δεν διαπιστώνεται επαναληψιμότητα στις ιδιότητες προσρόφησης Ραδονίου ακόμα και για ζεόλιθους οι οποίοι εξορύσσονται από το ίδιο ορυχείο. Οι συνθετικοί ζεόλιθοι όμως δεν παρεκκλίνουν από τις χαρακτηριστικές προδιαγραφές τους και συνεπώς αναμένεται να συμπεριφέρονται με επαναληψιμότητα στα προσροφητικά τους χαρακτηριστικά. Στόχος της παρούσης Διπλωματικής Εργασίας ήταν να διερευνηθεί πειραματικά η δυνατότητα συγκρότησης ανιχνευτών Ραδονίου με προσροφητικά υλικά συνθετικό ζεόλιθο ή silica gel, που να λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο όπως οι ανιχνευτές ενεργού άνθρακα. Για το σκοπό αυτό συγκρίθηκαν οι πειραματικά εκτιμώμενοι συντελεστές βαθμονόμησης για αυτά τα υλικά με τον αντίστοιχο για τον ενεργό άνθρακα. Το ίδιο έγινε και για τα πειραματικά εκτιμώμενα κατώτερα όρια ανίχνευσης. Για τα πειράματα χρησιμοποιήθηκαν συνθετικός ζεόλιθος με μέγεθος πόρων 0.5 nm, silica gel blue και χρωματογραφικό silica gel ώστε να καθοριστεί εάν μπορούν να λειτουργήσουν ικανοποιητικά ως ανιχνευτές Ραδονίου. Τα πειράματα έκθεσης έγιναν εντός θαλάμου Ραδονίου, υπό ελεγχόμενες συνθήκες θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας για ανιχνευτές ανοιχτά μεταλλικά δοχεία που περιείχαν 250 g συνθετικού ζεόλιθου ή 270 g silica gel blue ή ή 270 g χρωματογραφικού silica gel. Η ποσότητα του Ραδονίου που δεσμεύεται στον όγκο του κάθε προσροφητικού υλικού καθορίσθηκε μετρώντας την –γ ακτινοβολία που προέρχεται από τις διασπάσεις των θυγατρικών του Ραδονίου. Το κατώτερο όριο ανίχνευσης υπολογίσθηκε σε περίπου 35 Bqm-3 για τον συνθετικό ζεόλιθο και σε περίπου 400 Bqm-3 για το silica gel blue για έκθεση 72 h και σχετικές υγρασίες κοντά στο 20%. Τα πειραματικά αυτά αποτελέσματα έδειξαν ότι τέτοιοι ανιχνευτές από αυτά τα δύο υλικά μπορούν να αποτελέσουν μια απλή και χαμηλού κόστους διάταξη παθητικής μέτρησης συγκεντρώσεων Ραδονίου στην ατμόσφαιρα.Είναι φανερό ότι με βάση τα παραπάνω, για το silica gel blue πρέπει να σημειωθεί μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ανιχνευτής γενικά σε ξηρό περιβάλλον με υψηλή συγκέντρωσης Ραδονίου. Αντίθετα, ο συνθετικός ζεόλιθος φαίνεται ότι αποδίδει ως ανιχνευτής με τρόπο παρόμοιο με εκείνον του ενεργού άνθρακα. Η πορεία των πειραμάτων απέδειξε ότι το χρωματογραφικό silica gel, είναι μάλλον ακατάλληλο για να χρησιμοποιείται ως ανιχνευτής Ραδονίου, καθόσον η προσροφητικότητα σε αυτό το αέριο είναι πάρα πολύ χαμηλή.

The main short-term passive integrating methods for measuring radon in air, that have been in use since the late 80's are the active carbon (or activated charcoal) canisters – experimentally documented by George (1984) and the E-PERMTM electrets – designed for practical application by Kotrappa (1988). These two methods introduced simple cost-effective detectors for the indoors-sampling environment, suitable for a wide range of radon concentration levels. Active carbon canisters can provide measurements of average concentrations of radon over periods of some days, while, it is worthy to mention, E-PERMTM detectors can measure also for weeks or several months. Both methods were efficiently applied in practice, in place of complex and expensive monitors, for large-scale surveys, where passive integration was preferred over high accuracy continuous measurements. To our best knowledge, following the success of the various types of the activated carbon canisters as passive integrating radon detectors, limited research was performed on the radon adsorbing potential of alternative types of adsorbing materials. However, on the basis of measurements regarding water adsorption capacity, such materials may be the zeolites and the silica gels. There exist sporadic indications that some silica gels are radon adsorbers, but it has been widely accepted that their radon adsorption capacity was far less their water one. Therefore, silica gels were adequately used as desiccants in active carbon canisters so that to minimize air humidity in the neighborhood of carbon grain, and subsequently eliminate radon adsorption counter fighting water. For the case of zeolites, it has been preliminary estimated in previous research conducted in our Laboratory, that natural zeolites present promising radon adsorbing properties (Karangelos, 2003). Nevertheless, due to the random nature of natural ores composition and pore size distribution, consistent radon adsorbing properties of natural zeolites could not be guaranteed at all, even for material mined in the very same location. Synthetic zeolites on the other hand do not deviate from prescribed specifications and are expected to perform consistently as adsorbers. In this dissertation the possibility of using synthetic zeolite for the construction of an efficient radon detector, similar to the active carbon canister, will be illustrated. Experimental results on the calibration factor and the lower limit of detection are going to be compared with respective results for active carbon. During the process, blue silica gel and silica gel for chromatography has been tested in the same manner as well, so as to provide data on some of their radon adsorption properties and their possible use in radon detection. For the experimental procedure synthetic zeolite of 0.5 nm pore size (5A), blue silica gel and chromatography silica gel were tested in comparison to active carbon, in order to determine their capability to be used as radon detectors. Exposure tests were conducted in a radon chamber under controlled conditions of temperature and relative humidity with open face metal canisters containing 250 g of synthetic zeolite or 270 g of blue silica gel or 270 g of chromatography silica gel. The amount of radon adsorbed in such a detector is determined by counting the gamma rays from the radon decay products. Following the experimental procedure the lower limit of detection (LLD) is estimated to ~ 35 Bqm-3 for the synthetic zeolite and to ~ 400 Bqm-3 for the blue silica gel, for an exposure of 72 h at a relative humidity of about 20% These results indicate that simple inexpensive and maintenance-free passive devices based on these two materials can measure radon conveniently and adequately. However, blue silica gel due to its higher LLD seems to be suitable only for dry environments with quite high radon concentrations. On the other hand, synthetic zeolite seems to behave as a radon detector, in a way very similar to active carbon. In the course of the experimental procedure the chromatography silica gel material was proven inadequate to act as radon detector, since its radon adsorbing capacity seems very low.