[科普中国]-辐射化学法

辐射化学法基本原理

电离辐射作用于物质，导致原子或分子的电离和激发，产生的离子和激发分子在化学上是不稳定的，会迅速转变为自由基和中性分子并引起复杂的化学变化。引起辐射化学反应的能源是电离辐射，它包括高能光子(x和γ射线)、高能电子、重带电粒子(质子、氘核、α和核裂变碎片)和中子。这些辐射源的能量远大于原子和分子的电离能(约5-25eV)，它们作用于物质时，既能产生激发又能引起电离，一个入射粒子可使许多分子电离和激发。辐射化学过程中的激发和电离作用是无选择的，入射粒子可与路径上的任何分子在任何部位发生作用，产生可能的激发分子和离子。辐射化学过程中除入射粒子作用于物质引起分子激发和电离外，初级电离作用产生的次级电子往往具有足够的能量，它们也可以使其路径上的物质分子激发和电离，因此沿着入射粒子的径迹，会产生像一串串葡萄似的紧挨在一起的激发分子和离子的群团(称为刺迹，spur)，活性粒子(包括离子、激发分子和自由基)集中在入射粒子径迹周围1。

辐射化学法基本过程电离辐射与物质作用所引起的变化过程，按时间标度可分为物理过程、物理化学过程、化学过程和生理过程：

1) 物理过程

核素的电离辐射把自己的能量传递给界质形成初级活性粒子（离子，激发分子，初级电子等）；

2) 物理化学过程

初级活性粒子互相快速反应，生成各种自由基和分子；

3) 化学过程

自由基进一步发生反应，生成个种产物。

辐射化学在生物学方面的应用及进展在生物体内，自由基能导致DNA的降解、膜脂质过氧化、内皮细胞破坏、血管壁通透性增加，被认为是癌症、心血管疾病、类风湿病和衰老的重要原因。电离辐射能方便而又定量、均一地产生多种自由基，几十年来发展和完善的辐射化学方法不仅能研究自由基的反应历程，而且能准确地监测自由基的中间反应历程，因而已成为研究辐射生物损伤的重要手段。

辐射化学特别是脉冲辐解技术的发展，推动了对间接作用造成DNA链断裂及其化学修复的机制的研究；另一方面，人们对链断裂的生物效应的认识不断深入，最初认为单链断裂是关键的辐射损伤，70~80年代则认识到双链断裂才是致死的，而最近研究进一步微观化。Bremner和Ward均提出，并不是所有的双链断裂都具有同等的生物学意义，只有簇损伤(Clustered damage)才是导致细胞死亡和癌变的关键损伤。他们的研究表明，这种损伤需要在1~4nm直径范围内发生至少2-5次电离或自由基攻击。

辐射化学成功地阐述了自由基在膜脂质过氧化中的重要作用，现在它仍是研究脂质过氧化的保护机制的重要手段，能方便而有效地测定抗氧化剂的氧化还原电位、清除自由基的能力以及由此产生的自由基的代谢途径。蛋白质和氨基酸的辐射化学研究也受到了重视，一方面因为蛋白质特别是酶的自由基损伤会带来较严重的生物学后果飞另一方面则因为蛋白质和氨基酸同脂肪一样在食品的自氧化和辐射灭菌时的变质过程中发挥重要作用2。

高分子辐射化学研究进展高分子辐射化学就是和平利用核辐射造福于人类的一门科学，它是介于高分子化学、高分子物理学与辐射化学及辐射剂量学之间的边缘学科，内容包括有机单体的辐射聚合、高分子材料及无机材料的辐射接枝、高聚物的辐射交联与裂解和复合材料的辐射化学制备，以及辐射聚合、辐射接枝和辐射交联的应用。

高分子辐射化学可分为三大类:(1)电离辐射产生的离子、电子和自由基等活性粒子引发的链反应，如辐射聚合、辐射接枝共聚(graft co-polymerization);(2)高分子链的辐射降解;(3)聚合物大分子间的辐射交联。近年来，聚合物化学的研究取得了重大进展，并越来越广泛地应用于新材料生产领域，如在辐射聚合方面，低温固态辐射聚合和辐射接枝技术用于制备生物相容性材料、药物控制释放材料、人体器官材料和膜分离材料的研究非常活跃。在基础理论方面则仍侧重于研究生物大分子的自由基损伤3。

核燃料萃取剂辐射化学研究进展核燃料循环是核工业体系中的重要组成部分。其中乏燃料中含有大量的铀（U）、钚（Pu）、次锕系元素（MA）和裂变产物（FP），其中锕系元素（如 Pu，Np，Am 和 Cm 等）和长寿命裂变产物（LLFP）对地球生物和人类环境构成主要的长期放射性危害。因此，乏燃料后处理是核工业中实现核燃料循环的关键环节，在核工业中占有很重要的地位。另外，核燃料循环中所产生的超铀元素以及可用作射线源的某些放射性裂变产物（如137Cr，90Sr 等）的提取，也有很大的科学和经济价值。 如果采用溶剂萃取法处理乏燃料和高放废液就会用到萃取剂和稀释剂，面对具有极强放射性的乏燃料，要求萃取剂和稀释剂必须具有良好的耐辐照性能，因此研究萃取剂和稀释剂的辐射化学行为是非常重要而且必要的。

辐射化学在环境保护方面的应用及进展随着工业的发展，环境污染已引起了社会的极大关注。为了消除污染，各国都花费了巨额资金进行各种处理方法的研究。作为环境保护的新技术，辐射化学已在国际上受到重视，其优点是不需要重金属催化剂等特殊试剂，不产生二次公害，不产生污泥等废物。目前辐射化学在某些技术先进的国家中已成为环保技术领域内最有希望的方法之一。当前研究主要在处理飞起，废水及活性污泥方面取得非常大的成果。

1）废气的辐照处理

生产中燃烧炉所排放的废气，是大气污染的主要来源。废气主要成份有N2，O2，CO2和水蒸气，其中有害化合物是SO2和高温空气中N2和O2化合生成的NOX。除去SO2的方法有碱液吸收法及活性炭吸附法，但对NOX至今尚无有效方法。1972年日本独创地发展了SO2和NOX同时被除去的电子束辐照处理法。废气经电子束辐照，吸收大部分的辐射能产生OH，HO2，O，O3等;它们能有效地与SO2、NOX反应生成硫酸和硝酸混合雾粒，因而与尘埃一起被静电除尘器除去。

针对燃烧炉废气中NOX比SO2多的情况，为了同时都能被除去，日本还发展了废气中予先添加NH3的辐照处理法，使生成的硫被和硝按混合物均被除去。在1975年曾将电子束辐照与一般的除NOX法结合，用于铁矿石烧结炉废气处理，已基本取得成功。

同时，在德国也有对废气辐照处理技术的研究，NOX和SO2在辐照过程中经物理化学反应形成固体气溶胶，由电除尘器捕集后排入大气。

2）废水的处理

由工厂，工业设施或一般家庭等所产生的各种废水，常采用凝聚沉淀法，活性污泥法及活性炭吸附法处理。但对于含有农药、洗涤剂、染料、水溶性聚合物等的废水，用上述普通处理法是很难完成的，而用辐照是最有希望的一种方法。废水的辐照处理有两种效果:一是使BOD和COD降低;一是用微生物处理难以除去的有害物质，有可能以辐照分解或氧化除去。废水辐照处理是基于水通过辐照分解生成化学活性物与污染物反应从而达到污染物的分解或氧化。

近年来发展了有可能工业化的电子束辐照处理技术。采用了新式的辐照装置，反应器由5根气泡塔型夹套管组成，从下端通人O2，上端用电子束辐照，废水在各管内循环并依次流入邻管。总之，废水处理量很大，常需采用组合法，即先用凝聚沉淀法或活性污泥法净化，然后再用辐照法，其优点是能把有机物分解成CO2，不残留有害物质，所需剂量小。对于用常法难以除去的污染物质，其废水应首先进行辐照，再用凝聚法或活性污泥法除去，如聚乙烯醇废水即是一例.

辐射技术在环境保护中的应用具有双重意义:(1)以辐射加工工艺代替传统工艺，如以辐射消毒取代环氧乙烷消毒、以电子束涂层固化取代传统热烘溶剂挥发工艺、以电离辐射处理取代化学法灭虫和消毒灭菌等等，均可减轻环境污染，有利于环境保护;(2)辐射技术可直接用于处理、分解有毒污染物4。