Nghiên cứu đánh giá chất lượng và hiệu quả tẩy xạ của decon gel 1108 do cbi polymers sản xuất - Tô Văn Thiệp

Hóa học & Kỹ thuật môi trường T. V. Thiệp, V. N. Toán, N. M. Công, “Nghiên cứu đánh giá CBI polymers sản xuất.” 106 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VÀ HIỆU QUẢ TẨY XẠ CỦA DECON GEL 1108 DO CBI POLYMERS SẢN XUẤT Tô Văn Thiệp1*, Vũ Ngọc Toán2, Nguyễn Minh Công3 Tóm tắt: Decon gel 1108 do CBI polymers của Mỹ sản xuất theo ISO 9001 hiện đang được sử dụng rộng rãi để tẩy xạ cho nhiều loại vật liệu xây dựng như bê tông, nhôm, thép, chì, cao su, thủy tinh, gạch men, gỗ,... Sản phẩm thuộc loại màng phủ hydrogel được chế tạo trên cơ sở polyme và hợp chất tạo phức vòng càng với ion kim loại. Sau khi quét lên bề mặt nhiễm xạ, chúng tự tham gia phản ứng với ion phóng xạ và đóng rắn thành màng ở điều kiện thường. Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu đánh giá chất lượng và hiệu quả tẩy xạ của decon gel 1108 đối với một số loại vật liệu ở điều kiện môi trường tự nhiên. Kết quả cho thấy sản phẩm có chất lượng tốt và hiệu quả tẩy xạ cao trên bề mặt gỗ, màng sơn ankyd, thép CT-3, bê tông, cao su cán tráng. Từ khóa: Decon gel; Tẩy xạ; Phóng xạ; Phức chất. 1. MỞ ĐẦU Decon gel 1108 là một trong số các sản phẩm gel tẩy xạ có phổ ứng dụng rộng do công ty CBI polymers- Mỹ sản xuất theo ISO 9001. Sản phẩm này được khuyến nghị sử dụng để tẩy các đồng vị phóng xạ ở dạng hạt, kim loại nặng, hợp chất hữu cơ tan hoặc không tan trong nước, thậm chí cả hợp chất của triti khi chúng bám nhiễm trên bề mặt nằm ngang, thẳng đứng hoặc vòm. Gel có thể áp dụng để tẩy xạ cho hầu hết các vật liệu như: bê tông được sơn, bê tông không sơn, nhôm, thép, chì, cao su, thủy tinh, gỗ, sứ, gạch men. Sau sản xuất, gel ở dạng sánh, màu xanh nhạt, mùi thơm ngọt nhẹ, đồng nhất, không tách lớp, không có cắn, được đóng trong chai nhựa dung tích 1 L [5, 7, 9, 11]. Với nhiều ưu điểm như: không cần chuẩn bị, không cần pha trộn, vật liệu chế tạo thân thiện với môi trường, dễ sử dụng, hiệu quả tẩy xạ cao, hạn chế thấp nhất vật liệu thải đã nhiễm xạ, tự khô thành màng, khi phủ lên bề mặt vật liệu nhiễm xạ gel sẽ khóa các chất ô nhiễm vào trong màng polyme, sau 24-48 giờ có thể bóc màng dễ dàng và thu gom, xử lý theo quy định của mỗi quốc gia. Thành phần chính của gel gồm chất tạo màng, chất tạo phức vòng càng với ion kim loại, chất hoạt động bề mặt, chất chống tái bám, phụ gia khác [1-4, 6 ,8, 10]. Mặc dù nhà sản xuất đã công bố một số chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm (ngoại quan, pH, thời gian tạo màng, nhiệt độ, độ ẩm làm việc, hiệu quả tẩy xạ đối với một số đồng vị phóng xạ trên bê tông). Tuy nhiên, các thông số kỹ thuật khác như: độ bám dính của màng, độ bền kéo đứt của màng, hiệu quả tẩy xạ đối với các loại bề mặt vật liệu thông dụng khác, liên quan trực tiếp đến quá trình tẩy xạ thì chưa được công bố, một số thông số đưa ra trong khoảng giá trị khá rộng. Để làm cơ sở cho việc nghiên cứu chế tạo gel tẩy xạ có tính năng tương đương với sản phẩm decon gel 1108 từ nguyên vật liệu trong nước, trong bài báo này chúng tôi giới thiệu kết quả phân tích đánh giá chất lượng và hiệu quả tẩy xạ của mẫu decon gel 1108 trên bề mặt một số loại vật liệu xây dựng gồm: gỗ, màng sơn ankyd, cao su cán tráng (vải phòng da L1), thép CT-3, bê tông theo các Tiêu chuẩn Việt Nam, Tiêu chuẩn Mỹ bằng trang thiết bị hiện có trong nước. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất và dụng cụ Decon gel 1108 (CBI polymers) Etanol (Acros); Bình cầu 3 cổ dung tích 250 ml (Glassco); Cốc thủy tinh chịu nhiệt dung tích 500 ml Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 107 NaOH (Acros); Butyl axetat (Acros); Sinh hàn hồi lưu (Đức); Nước cất; Đĩa petri; Ống đong 50, 100 ml (Bomex). (Bomex- Trung Quốc) Máy khuấy từ gia nhiệt (IKA); Buret 10, 25 ml (Duran); Phễu chiết dung tích 250 ml (Glassco); Pipet 2, 5, 10 ml (Duran); 2.2. Phương pháp và tiêu chuẩn phân tích, đánh giá - Mẫu gel sử dụng để đánh giá tính năng kỹ thuật, hiệu quả tẩy xạ được lấy và chuẩn bị theo TCVN 5454:1999 và TCVN 5491:1991. Decon gel 1108 được nhập khẩu về nước tháng 12/2017. - Ngoại quan của sản phẩm được đánh giá bằng mắt thường. - Mẫu vật liệu sử dụng để đánh giá hiệu quả tẩy xạ gồm: bê tông, thép CT-3, màng sơn ankyd, gỗ thông, vải phòng da L1. Các mẫu được chuyển bị theo TCVN 6854:2001 và theo quy chuẩn của EPA [2, 4, 9, 11]. - Giá trị pH của mẫu gel được đánh giá theo TCVN 5458:1991. - Lượng gel tiêu hao khi sử dụng để tẩy xạ cho các bề mặt vật liệu bị nhiễm xạ được đánh giá theo TCVN 2095:1993. - Khoảng nhiệt độ sử dụng của mẫu gel được đánh giá theo TCVN 9567:2013. - Thời gian tạo màng của mẫu gel khi phủ lên bề mặt mẫu vật liệu khô được đánh giá theo TCVN 9567:2013. - Độ ẩm của môi trường sử dụng gel được đánh giá theo TCVN 9350:2012. - Thời gian có thể phủ tiếp lớp gel tẩy xạ thứ hai được đánh giá theo TCVN 9567:2013. - Thời gian khô lớp màng để gỡ bỏ ra khỏi bề mặt vật liệu nhiễm xạ được đánh giá theo TCVN 2096:1993 và TCVN 2096:2015. - Độ bám dính của màng gel được đánh giá theo TCVN 2097:1993. - Độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi kéo đứt, độ dãn dư của màng gel được đánh giá theo TCVN 4635:1988. - Hạn sử dụng của mẫu gel được đánh giá theo TCVN 5816:2009. - Hiệu quả tẩy xạ của mẫu gel được đánh giá theo quy trình sau [2-4, 8-11], cụ thể: * Gây nhiễm xạ: Các tiêu bản mẫu vật liệu nghiên cứu tẩy xạ gồm: thép CT-3; sơn ankyd trên nền thép CT-3; gỗ thông; vải phòng da, bê tông được gây nhiễm xạ với các muối phóng xạ của U238, Th232, Sr90, I131 trong khoảng 100-200 Bq/cm2; Cs137 trong khoảng 15.000-20.000 Bq/cm2. Trình tự các bước gây nhiễm (được thực hiện trong tủ hút) như sau: - Bước 1: Đánh số hoặc ký hiệu các tiêu bản mẫu vật liệu cần thử nghiệm. - Bước 2: Đặt lần lượt các tiêu bản mẫu vật liệu cần thử nghiệm lên gá đựng mẫu. Gá đựng mẫu được đặt sẵn trên khay thu gom nước thải, rác thải phóng xạ. - Bước 3: Dùng xilanh 1ml để hút lần lượt từng nguồn một (mỗi nguồn đã hòa vào 15ml dung môi etanol) để phun vào các tấm vật liệu. - Bước 5: Phun nguồn gây nhiễm lên các tấm mẫu vật liệu, để bay hơi bớt nước và sấy khô mẫu trong tủ sấy ở nhiệt độ 40±5 oC. Yêu cầu: phun đều mẫu trên bề mặt gây nhiễm, phun nhẹ nhàng để không làm bắn ra nền nhà hoặc nền tủ hút. - Bước 6: Sử dụng hệ phổ kế Gammar hiện trường GC1520 Ortec HPGe (Canberra) hoặc máy đo phóng xạ Radiagem (Canberra)) để đo suất liều trên các tấm vật liệu đã được đánh nhiễm xạ và ghi chép lại các số liệu. * Tiến hành tẩy xạ: Các bước tẩy xạ tiến hành như sau: (1) Phủ đều gel tẩy xạ lên toàn bộ bề mặt mẫu thử nghiệm (với lượng tiêu hao 1,0 - 1,2 L/m2) đã đặt ngang trên gá phẳng theo thứ tự từ trái qua phải, từ trên xuống dưới, thời gian Hóa học & Kỹ thuật môi trường T. V. Thiệp, V. N. Toán, N. M. Công, “Nghiên cứu đánh giá CBI polymers sản xuất.” 108 phản ứng 24-48 giờ ở 20-25oC; (2) Dùng banh kẹp bóc lột bỏ lớp màng đã khô trên bề mặt mẫu thử nghiệm, thu gom lớp màng này vào thùng chứa chất thải chuyên dụng; (3) Sử dụng thiết bị đo bức xạ để đo suất liều phóng xạ còn lại trên bề mặt các tấm vật liệu thí nghiệm. * Đánh giá: Hiệu suất tẩy xạ (H) được xác định theo công thức sau [4, 9]: H = (1- Af/Ao) x 100 % Trong đó: + H là hiệu suất tẩy xạ (%); + Ao là hoạt độ chất phóng xạ trên bề mặt mẫu trước khi tẩy xạ (Bq/cm 2); + Af là hoạt độ chất phóng xạ còn lại trên bề mặt mẫu sau khi tẩy xạ (Bq/cm 2); Chất lượng của Decon gel 1108 được tiến hành đánh giá tại Viện Công nghệ mới và Viện Hóa học- Vật liệu/Viện KH-CN quân sự; Viện Khoa học Vật liệu/Viện Hàn lâm KH- CN Việt Nam. Hiệu quả tẩy xạ của Decon gel 1108 được tiến hành tại Viện Hóa học Môi trường quân sự/Binh chủng Hóa học và Viện Y học phóng xạ - U bướu Quân đội trên các mẫu gỗ thông, thép CT-3, màng sơn ankyd, vải phòng da L1, bê tông với các nguồn U238, Th232, I131, Cs137 và Sr90. Toàn bộ quá trình thử nghiệm tuân thủ nghiêm theo quy định hiện hành của Cục An toàn bức xạ/Bộ Khoa học và Công nghệ. 3. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN 3.1. Đặc tính của gel và màng Decon gel 1108 Kết quả phân tích các đặc tính của Decon gel 1108 ở trạng thái gel và sau khi tạo màng, được dẫn ra trong bảng 1 Bảng 1. Kết quả phân tích của gel và màng Decon gel 1108. TT Chỉ tiêu Phương pháp đo Đơn vị đo Kết quả Công bố của nhà sản xuất 1 Ngoại quan Mắt thường - Dạng gel, đồng nhất, mùi ngọt - 2 Màu sắc TCVN 2102:2008 - Xanh nhạt - 3 pH TCVN 6492:2011 - 7,15 6-8 4 Lượng tiêu hao (đạt độ dày của màng 0,7-1,0 mm sau khi phủ đều) TCVN 2095:1993 L/m2 1,1 ≤1,2 5 Khoảng nhiệt độ sử dụng hiệu quả TCVN 9567:2013 oC 15-50 15-50 6 Độ ẩm tương đối của môi trường sử dụng TCVN 9350:2012 % 75- 89 70-90 7 Thời gian tạo màng khi phủ lên bề mặt mẫu vật liệu khô TCVN 9567:2013 Phút 6,5 5-8 8 Thời gian có thể phủ tiếp lớp thứ hai TCVN 9567:2013 Giờ 1,6 ≤2,0 9 Độ bám dính của màng TCVN Điểm 2 2 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 109 TT Chỉ tiêu Phương pháp đo Đơn vị đo Kết quả Công bố của nhà sản xuất 2097:1993 10 Độ bền kéo đứt của màng TCVN 4635:1988 MPa 25,526 - 11 Độ dãn dài khi đứt của màng % 332,602 - 12 Độ dãn dư của màng % 76,8 - 13 Thời gian khô lớp màng để gỡ bỏ ra khỏi bề mặt vật liệu nhiễm (ở nhiệt độ 25-28oC, độ ẩm 82- 85%) TCVN 2096:1993 và TCVN 2096:2015 Giờ 27 24-48 14 Hạn sử dụng TCVN 5816:2009 Năm 5,2 5,0 Kết quả phân tích đánh giá cho thấy decon gel có màu xanh nhạt, lỏng, độ nhớt cao, tồn tại ở dạng gel, mùi thơm ngọt nhẹ, gel có độ pH trung tính (7,15) đảm bảo cho việc hình thành phức với ion đồng vị phóng xạ và chất tạo phức tồn tại trong gel, cũng như hạn chế tác hại gây ăn mòn đối với bề mặt các vật liệu sử dụng trong vũ khí trang bị và xây dựng. Gel được sử dụng trong môi trường có độ ẩm tương đối khá cao, phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Các thông số cơ lý tính của màng gel sau khi khô được như: độ bám dính tương đối thấp, độ bền kéo đứt tốt nên thuận lợi trong việc lột bỏ khỏi các bề mặt vật liệu. Điểm đáng lưu ý ở đây là tốc độ khô của màng gel sẽ nhanh hay chậm phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ của môi trường thử nghiệm. Khi nhiệt cao hoặc độ ẩm môi trường thấp thì tốc độ tạo màng nhanh và ngược lại. Ở điều kiện 20-25oC, độ ẩm 80-85% thì sau 24-38 giờ ta có thể bóc lột bỏ màng nhiễm xạ ra khỏi bề mặt vật liệu. Kết quả thu được cũng cho thấy, các thông số thu được trong Bảng 1 là phù hợp với công bố của hãng CBI polymers- Mỹ và các nghiên cứu khác đã công bố [8-11]. 3.2. Đánh giá hiệu quả tẩy xạ cho các bề mặt vật liệu Hiệu quả tẩy xạ của Decon gel 1108 cho các loại bề mặt vật liệu nhiễm các đồng vị phóng xạ khác nhau được nêu trong Bảng 2 Bảng 2. Hiệu quả tẩy xạ của Decon gel 1108. TT Nguồn đồng vị phóng xạ Bề mặt vật liệu nghiên cứu Hiệu suất tẩy xạ sau một lần tẩy xạ, H, % Công bố của hãng sản xuất 1 U238 Thép CT-3 Màng sơn ankyd Gỗ thông Bê tông Vải phòng da L1 98,2 97,9 77,2 69,1 97,2 - - - - - 2 Th232 Thép CT-3 Màng sơn ankyd Gỗ thông Bê tông Vải phòng da L1 91,2 98,2 83,0 69,0 96,4 - - - - - 3 Cs137 Thép CT-3 Màng sơn ankyd 96,8 90,5 - - Hóa học & Kỹ thuật môi trường T. V. Thiệp, V. N. Toán, N. M. Công, “Nghiên cứu đánh giá CBI polymers sản xuất.” 110 TT Nguồn đồng vị phóng xạ Bề mặt vật liệu nghiên cứu Hiệu suất tẩy xạ sau một lần tẩy xạ, H, % Công bố của hãng sản xuất Gỗ thông Bê tông Vải phòng da L1 83,4 35,1 96,7 - 67±9 - 4 Sr90 Thép CT-3 Màng sơn ankyd Gỗ thông Bê tông Vải phòng da L1 97,5 97,0 69,9 45,0 97,8 - - - 64±6 - 5 I131 (gamma) Màng sơn ankyd Bê tông 90,0 78,0 - - Kết quả bảng 2 cho thấy, gel 1108 tẩy xạ hiệu quả đối với các bề mặt nhẵn, bóng, như: thép, màng sơn, cao su,...bị nhiễm các loại đồng vị phóng xạ khác nhau, hiệu quả tẩy xạ đều đạt trên 90%. Trong khi đó, các bề mặt rỗ, xốp như gỗ, bê tông, hiệu suất tẩy xạ giảm đáng kể, còn khoảng 70-80%, đặc biệt với bề mặt bê tông bị nhiễm Cs137 và Sr90 thì hiệu suất tẩy xạ giảm rất mạnh, chỉ còn khoảng 35-45%. Giá trị này là có sự sai lệch đáng kể so với công bố của nhà sản xuất, điều này có thể là do cách gây nhiễm xạ bề mặt mẫu thử nghiệm khác nhau: nhiễm bụi phóng xạ trên bề mặt (nhà sản xuất) và nhiễm xạ theo phương pháp tiêu chuẩn RDD (trong thử nghiệm của bài báo này). Khi gây nhiễm xạ bằng phương pháp RDD, dung dịch chứa chất phóng xạ sẽ thấm sâu vào trong bề mặt vật liệu, đặc biệt là các vật liệu xốp và ưa nước như bê tông, gỗ, mức độ xâm nhập vào vật liệu tùy thuộc vào từng loại ion của nguyên tử nguyên tố phóng xạ, dẫn đến hiệu quả tẩy xạ khác nhau, nhưng nhìn chung hiệu quả tẩy xạ là không cao. Như vậy, có thể thấy chất tẩy xạ Decongel 1108 nói riêng và các chất tẩy xạ theo cơ chế tạo màng chỉ tẩy xạ hiệu quả đối với các chất phóng xạ trên bề mặt của vật liệu và có hiệu quả hạn chế đối với các chất phóng xạ thâm nhập sâu vào trong khối vật liệu. Kết quả nghiên cứu phân tích đánh giá chất lượng và hiệu quả tẩy xạ của decon gel 1108 thu được là cơ sở để chúng tôi tiến hành nghiên cứu chế tạo mẫu gel MRD-1 với tính năng tương đương từ nguyên vật liệu sẵn có trong nước. 4. KẾT LUẬN Gel tẩy xạ Decon gel 1108 do CBI polymers của Mỹ sản xuất theo ISO 9001, hoạt động theo nguyên lý tạo màng đồng thời với quá trình hấp thụ các tác nhân phóng xạ trên bề mặt vật liệu. Môi trường hoạt động khá phù hợp với điều kiện Việt Nam, sản phẩm sau tạo màng trên bề mặt vật liệu có thể gỡ bỏ dễ dàng và không gây ăn mòn vật liệu. Gel tẩy xạ Decon gel 1108 có hiệu quả tẩy xạ cao đối với các vật liệu (thép, sơn, cao su, gỗ, bê tông,...) nhiễm các đồng vị phóng xạ như U238, Th232, I131, Sr90, Cs137 trên bề mặt, đạt trên 90%. Khả năng tẩy xạ của Decon gel 1108 giảm đáng kể đối với các chất phóng xạ đã xâm nhập sâu vào trong khối vật liệu, hiệu suất tẩy xạ đạt khoảng 70-80%, thậm chí còn khoảng 35-45% đối với các chất phóng xạ có khả năng thẩm thấu tốt như muối của Cs137, Sr90. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. H. Neil Gray et al., “Applications of polymeric smart materials to environmental problems”, Environmental Health Perspectives, Vol. 105, 1997, pp. 55-63 . [2]. U.S. EPA., “Technology evaluation report- CBI polymers Decongel 1101 and 1108 for radiological decontamination”, EPA 600/R-11/084, 2011, 29 pages. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 111 [3]. Chong Hun Jung et al., “Chemical gel for decontamination of Cs surrogate on stainless steel surface”, WM2011 conference, 2011, 7 pages. [4]. U.S. EPA., “Evaluation of the curing times of strippable coatings and gels as used for radiological decontamination”, EPA 600/R-14/238, 2014, 67 pages. [5]. H. Neil Gray et al., “Smart polymeric coatings for surface decontamination”, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 40, 2001, pp. 3540-3546. [6]. Rajiv Kohli, K. L. Mittal., “Developments in surface contamination and cleaning”, Elservier, 2010, 302 pages. [7]. Pham Quang Luong et al., “Study to produce polymer gel for decontamination on the surface of steel, ceramic, plastic, glass”, Vinatom-AR, 2014, pp. 171-182. [8]. Rajiv Kohli., “Strippable coatings for removal of surface contaminants”, Development in surface contamination and cleaning, Chapter 5, 2010, pp. 177-224. [9]. U.S. EPA, “Evaluation of chemical-based technologies for removed of radiological contamination from building material surfaces”, EPA/600/S-15/155, 2015, 7 pages. [10]. U.S. EPA, “Impact of stagnant air flow conditions on the curing times of strippable coatings and gels as used for radiological decontamination”, EPA/600/R-15/171, 2015, 7 pages. [11]. U.S. EPA, “CBI polymers decongel® 1108 for radiological decontamination of Americium”, EPA/600/R-12/067, 2013, 8 pages. ABSTRACT STUDY ON EVALUATING THE QUALITY AND THE RADIOLOGICAL DECONTAMINATION EFFICIENCY OF DECON GEL 1108 PRODUCED BY CBI POLYMERS Decon gel 1108 made by American CBI polymers is widely used for radiological decontamination of many kinds of construction materials such as concrete, aluminum, steel, lead, rubber, glass, ceramic tiles, the wood,... Hydrogel coatings are made on the basis of polymers and chelate compounds that form the more complex metal ion. After they have been scanned onto the contaminated surfaces, they themselves react with radioactive ion and solidify into the film under normal conditions. This paper presents the results of the study on the quality and decontamination efficiency of decon gel 1108 for some materials in natural environment. The results show that the product has good quality and high efficiency decontamination on the surface of wood, alkyd paint film, CT-3 steel, concrete, rubber coated fabric. Keywords: Decon gel; Radiological decontamination; Radioisotope; Chelate. Nhận bài ngày 03 tháng 5 năm 2018 Hoàn thiện ngày 23 tháng 5 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 19 tháng 02 năm 2019 Địa chỉ: 1Viện Công nghệ mới/Viện KH-CN quân sự 2Viện Hóa học- Vật liệu/Viện KH-CN quân sự. 3Viện Hóa học- Môi trường quân sự. * Email: thiepcnm@gmail.com.