輻射化學法

輻射化學法是研究電離輻射與物質相互作用時產生的化學效應的化學分支學科。電離輻射包括放射性核素衰變放出的α、β、γ射線，高能帶電粒子(電子、質子、氘核等)和短波長的電磁輻射。已知的輻射誘導化學變化主要有：輻射聚合、輻射合成、輻射分解、輻射降解、輻射加工等。

基本介紹

• 中文名：輻射化學法
• 外文名：chemical radiation
• 學科領域：化學分支學科
• 主要輻射類型：α、β、γ射線，高能帶電粒子等
• 誘導化學變化：輻射聚合、輻射合成、輻射分解等
• 套用領域：工業、農業、生物及醫學等

輻射化學法基本原理

電離輻射作用於物質，導致原子或分子的電離和激發，產生的離子和激發分子在化學上是不穩定的，會迅速轉變為自由基和中性分子並引起複雜的化學變化。引起輻射化學反應的能源是電離輻射，它包括高能光子(x和γ射線)、高能電子、重帶電粒子(質子、氘核、α和核裂變碎片)和中子。這些輻射源的能量遠大於原子和分子的電離能(約5-25eV)，它們作用於物質時，既能產生激發又能引起電離，一個入射粒子可使許多分子電離和激發。輻射化學過程中的激發和電離作用是無選擇的，入射粒子可與路徑上的任何分子在任何部位發生作用，產生可能的激發分子和離子。輻射化學過程中除入射粒子作用於物質引起分子激發和電離外，初級電離作用產生的次級電子往往具有足夠的能量，它們也可以使其路徑上的物質分子激發和電離，因此沿著入射粒子的徑跡，會產生像一串串葡萄似的緊挨在一起的激發分子和離子的群團(稱為刺跡，spur)，活性粒子(包括離子、激發分子和自由基)集中在入射粒子徑跡周圍。

輻射化學法基本過程

電離輻射與物質作用所引起的變化過程，按時間標度可分為物理過程、物理化學過程、化學過程和生理過程：

1) 物理過程

核素的電離輻射把自己的能量傳遞給界質形成初級活性粒子（離子，激發分子，初級電子等）；

2) 物理化學過程

初級活性粒子互相快速反應，生成各種自由基和分子；

3) 化學過程

自由基進一步發生反應，生成個種產物。

輻射化學在生物學方面的套用及進展

在生物體內，自由基能導致DNA的降解、膜脂質過氧化、內皮細胞破壞、血管壁通透性增加，被認為是癌症、心血管疾病、類風濕病和衰老的重要原因。電離輻射能方便而又定量、均一地產生多種自由基，幾十年來發展和完善的輻射化學方法不僅能研究自由基的反應歷程，而且能準確地監測自由基的中間反應歷程，因而已成為研究輻射生物損傷的重要手段。

輻射化學特別是脈衝輻解技術的發展，推動了對間接作用造成DNA鏈斷裂及其化學修復的機制的研究；另一方面，人們對鏈斷裂的生物效應的認識不斷深入，最初認為單鏈斷裂是關鍵的輻射損傷，70~80年代則認識到雙鏈斷裂才是致死的，而最近研究進一步微觀化。Bremner和Ward均提出，並不是所有的雙鏈斷裂都具有同等的生物學意義，只有簇損傷(Clustered damage)才是導致細胞死亡和癌變的關鍵損傷。他們的研究表明，這種損傷需要在1~4nm直徑範圍內發生至少2-5次電離或自由基攻擊。

輻射化學成功地闡述了自由基在膜脂質過氧化中的重要作用，它仍是研究脂質過氧化的保護機制的重要手段，能方便而有效地測定抗氧化劑的氧化還原電位、清除自由基的能力以及由此產生的自由基的代謝途徑。蛋白質和胺基酸的輻射化學研究也受到了重視，一方面因為蛋白質特別是酶的自由基損傷會帶來較嚴重的生物學後果飛另一方面則因為蛋白質和胺基酸同脂肪一樣在食品的自氧化和輻射滅菌時的變質過程中發揮重要作用。

高分子輻射化學研究進展

高分子輻射化學就是和平利用核輻射造福於人類的一門科學，它是介於高分子化學、高分子物理學與輻射化學及輻射劑量學之間的邊緣學科，內容包括有機單體的輻射聚合、高分子材料及無機材料的輻射接枝、高聚物的輻射交聯與裂解和複合材料的輻射化學製備，以及輻射聚合、輻射接枝和輻射交聯的套用。

高分子輻射化學可分為三大類:(1)電離輻射產生的離子、電子和自由基等活性粒子引發的鏈反應，如輻射聚合、輻射接枝共聚(graft co-polymerization);(2)高分子鏈的輻射降解;(3)聚合物大分子間的輻射交聯。近年來，聚合物化學的研究取得了重大進展，並越來越廣泛地套用於新材料生產領域，如在輻射聚合方面，低溫固態輻射聚合和輻射接枝技術用於製備生物相容性材料、藥物控制釋放材料、人體器官材料和膜分離材料的研究非常活躍。在基礎理論方面則仍側重於研究生物大分子的自由基損傷。

核燃料萃取劑輻射化學研究進展

核燃料循環是核工業體系中的重要組成部分。其中乏燃料中含有大量的鈾（U）、鈽（Pu）、次錒系元素（MA）和裂變產物（FP），其中錒系元素（如 Pu，Np，Am 和 Cm 等）和長壽命裂變產物（LLFP）對地球生物和人類環境構成主要的長期放射性危害。因此，乏燃料後處理是核工業中實現核燃料循環的關鍵環節，在核工業中占有很重要的地位。另外，核燃料循環中所產生的超鈾元素以及可用作射線源的某些放射性裂變產物（如137Cr，90Sr 等）的提取，也有很大的科學和經濟價值。 如果採用溶劑萃取法處理乏燃料和高放廢液就會用到萃取劑和稀釋劑，面對具有極強放射性的乏燃料，要求萃取劑和稀釋劑必須具有良好的耐輻照性能，因此研究萃取劑和稀釋劑的輻射化學行為是非常重要而且必要的。

輻射化學在環境保護方面的套用及進展

隨著工業的發展，環境污染已引起了社會的極大關注。為了消除污染，各國都花費了巨額資金進行各種處理方法的研究。作為環境保護的新技術，輻射化學已在國際上受到重視，其優點是不需要重金屬催化劑等特殊試劑，不產生二次公害，不產生污泥等廢物。輻射化學在某些技術先進的國家中已成為環保技術領域內最有希望的方法之一。當前研究主要在處理飛起，廢水及活性污泥方面取得非常大的成果。

1）廢氣的輻照處理

生產中燃燒爐所排放的廢氣，是大氣污染的主要來源。廢氣主要成份有N₂，O₂，CO₂和水蒸氣，其中有害化合物是SO₂和高溫空氣中N₂和O₂化合生成的NO_X。除去SO₂的方法有鹼液吸收法及活性炭吸附法，但對NO_X至今尚無有效方法。1972年日本獨創地發展了SO₂和NO_X同時被除去的電子束輻照處理法。廢氣經電子束輻照，吸收大部分的輻射能產生OH，HO₂，O，O₃等;它們能有效地與SO₂、NO_X反應生成硫酸和硝酸混合霧粒，因而與塵埃一起被靜電除塵器除去。

針對燃燒爐廢氣中NO_X比SO₂多的情況，為了同時都能被除去，日本還發展了廢氣中予先添加NH₃的輻照處理法，使生成的硫被和硝按混合物均被除去。在1975年曾將電子束輻照與一般的除NO_X法結合，用於鐵礦石燒結爐廢氣處理，已基本取得成功。

同時，在德國也有對廢氣輻照處理技術的研究，NO_X和SO₂在輻照過程中經物理化學反應形成固體氣溶膠，由電除塵器捕集後排入大氣。

2）廢水的處理

由工廠，工業設施或一般家庭等所產生的各種廢水，常採用凝聚沉澱法，活性污泥法及活性炭吸附法處理。但對於含有農藥、洗滌劑、染料、水溶性聚合物等的廢水，用上述普通處理法是很難完成的，而用輻照是最有希望的一種方法。廢水的輻照處理有兩種效果:一是使BOD和COD降低;一是用微生物處理難以除去的有害物質，有可能以輻照分解或氧化除去。廢水輻照處理是基於水通過輻照分解生成化學活性物與污染物反應從而達到污染物的分解或氧化。

近年來發展了有可能工業化的電子束輻照處理技術。採用了新式的輻照裝置，反應器由5根氣泡塔型夾套管組成，從下端通人O₂，上端用電子束輻照，廢水在各管內循環並依次流入鄰管。總之，廢水處理量很大，常需採用組合法，即先用凝聚沉澱法或活性污泥法淨化，然後再用輻照法，其優點是能把有機物分解成CO₂，不殘留有害物質，所需劑量小。對於用常法難以除去的污染物質，其廢水應首先進行輻照，再用凝聚法或活性污泥法除去，如聚乙烯醇廢水即是一例.

輻射技術在環境保護中的套用具有雙重意義:(1)以輻射加工工藝代替傳統工藝，如以輻射消毒取代環氧乙烷消毒、以電子束塗層固化取代傳統熱烘溶劑揮發工藝、以電離輻射處理取代化學法滅蟲和消毒滅菌等等，均可減輕環境污染，有利於環境保護;(2)輻射技術可直接用於處理、分解有毒污染物。