11.10. Дезактивация одежды

11.10.1. Загрязнение и дезактивация одежды из хлопчатобумажной ткани

Загрязнение одежды и белья может происходить как жидкими радиоактивными растворами, так и радиоактивной пылью при контакте с загрязненной поверхностью или в результате осаждения радиоактивных аэрозолей, находящихся в воздухе. При загрязнении одежды из хлопчатобумажных, шерстяных и других тканей имеют место те же процессы, которые отмечались ранее: адгезионное, поверхностное и глубинное загрязнения. Опасность загрязнения одежды радиоактивной пылью определяется как количеством пыли, которая может осесть и прилипнуть к одежде, так и ее удельной активностью [73]. При взрывах ядерных устройств загрязнение одежды обусловлено наличием в воздухе аэрозолей из продуктов деления ядер, удельная активность которых может составлять от 1,5 · 106 Бк/г до 1,9 · 107 Бк/г [74]. В этих условиях среднее количество 90Sr, которое может осаждаться на одежде человека, составляет в год от 7,9 · 106 до 3,5 · 107 Бк, что представляет определенную опасность для людей. Такую загрязненную одежду необходимо периодически подвергать дезактивации, поскольку она является источником загрязнения кожных покровов человека. В [75] проводили исследования по загрязненности верхней одежды, белья и кожи человека в изолированной камере аэрозолями 90SrCl2, имеющими диаметр частиц ~ 0,8 мкм при концентрации 1,85 · 106 Бк/м3. Из представленных в табл. 11.34 данных видно, что соотношение между загрязнением одежды, белья и кожи составляет примерно 15 : 3 : 1.

При загрязнении одежды радиоактивной пылью можно применять безжидкостные способы дезактивации. Так, с помощью электровибратора можно получить коэффициент дезактивации в пределах 8–10, механическая очистка дает KД = 2ч3 [73]. В случае загрязнения одежды растворами радионуклидов коэффициент дезактивации безжидкостным способом еще ниже. Поэтому безжидкостные способы обработки применяют лишь тогда, когда источником загрязнения является радиоактивная пыль, а исходная загрязненность незначительна. Во всех других случаях чаще применяют жидкостные способы дезактивации. Наиболее распространенным способом дезактивации, учитывающим специфику материала одежды и способы загрязнения, является дезактивация стиркой. Дезактивация стиркой осуществляется в соответствии с технологическим процессом, основные стадии которого следующие: приемка и сортировка одежды; обработка в стиральных машинах или в барботажных ваннах; отжим и сушка [81]. При приемке в стирку загрязненная одежда подвергается дозиметрическому контролю и сортировке по степени загрязнения, виду радиоактивного излучения (a - или b -активные) и по свойствам ткани.

Необходимость сортировки по виду излучения связана с тем, что предельно допустимые уровни загрязнения a -активными препаратами ниже, чем b -активными. Возможна также сортировка по типу одежды: верхняя, защитная, специальная, белье и т. д.

Одежда может быть загрязнена в различной степени, что предопределяет режим ее дезактивации. В основном одежду сортируют по этому параметру на три группы, и каждая группа характеризуется определенной степенью загрязнения (табл. 11.35).

Таблица 11.34

Загрязнение хлопчатобумажной одежды, белья
и кожных покровов человека аэрозолями 90SrCl2, имеющими средний диаметр 0,7 мкм, при их
концентрации в воздухе 1,85 · 106 Бк/м3 [75]

Загрязненная поверхность

Загрязнение,
103 b -частиц/(м
2 · с)

Соотношение
загрязненностей

Одежда

202

14,6

Белье

40,2

2,9

Кожный покров

13,8

1

Таблица 11.35

Характеристика одежды по степени ее загрязнения a - и b - активными веществами [81]

Группа загрязнения одежды

Степень загрязнения, Бк/(м2 · с)

по a -активности

по b -активности

I

< 5,6 · 102

< 2,8 · 104

II

5,6 · 102–2,2 · 103

2,8 · 104–1,1 · 105

III

2,2 · 103–7,7 · 103

1,1 · 105–5,5 · 105

Чтобы применить наиболее подходящие растворы и обеспечить правильный режим дезактивации одежды из хлопчатобумажной, шерстяной или какой-либо другой ткани, следует представлять структуру и некоторые свойства этих материалов.

Хлопковое волокно представляет собой спиралеобразно закрученную ленту, имеющую 50–80 витков на 1 см. Длина ленты достигает 45 мм, а толщина 0,02 мм. Общая поверхность 1 г волокна составляет (1–3) · 103 м2, что обусловливает его высокую сорбционную емкость. Хлопок на 98,5 % состоит из целлюлозы — линейного полимера, макромолекулы которого построены из звеньев глюкозы, соединенных гликозидными связями. Формула целлюлозы (С6Н10О5)n [84]. Элементарное звено С6Н10О5 представляет собой молекулу дегидратированной глюкозы. Глюкозидная связь устойчива к щелочам, но не может противостоять действию кислот, которые разрушают ее вследствие быстротекущего гидролиза [77].

Загрязнение хлопчатобумажных тканей определяется содержанием карбоксильных групп, поскольку сорбция радиоактивных веществ происходит путем замены Н+ в группе СООН на катионы радиоактивного вещества. Кроме того, группы СОО имеют отрицательный заряд и сорбируют радиоактивные изотопы в виде коллоидов.

Знак заряда хлопчатобумажного волокна зависит от рН среды. При рН ≥ 2 хлопковое волокно заряжается отрицательно, и катионы в растворе притягиваются к его поверхности, при рН < 2 (кислые растворы) волокно заряжается положительно, и катионы не захватываются таким волокном. Следовательно, эффективность дезактивации изделия из хлопчатобумажной ткани в кислых растворах будет возрастать, если радионуклиды в растворе будут находиться в виде катионов. Если же радионуклиды в растворе связываются в анионные комплексы, то коэффициент дезактивации будет возрастать с увеличением рН раствора [78].

По прочности связи с хлопчатобумажной тканью радиоактивные элементы можно расположить в ряд: Ru > Rh > Zr > Nb > Р.З.Э. > Y > Sr < Ba > Cs [3]. При обработке хлопчатобумажной ткани растворами лимонной и других органических кислот коэффициент дезактивации уменьшается в зависимости от химических свойств радиоизотопов в следующей последовательности: 226Ra > 32P > 131I > 35S [79].

При обработке загрязненной одежды из хлопчатобумажной ткани важным фактором является смачиваемость ткани дезактивирующим раствором. Поэтому в состав растворов входят моющие средства. Поскольку загрязнение ткани происходит в результате ионного обмена, то необходимым компонентом дезактивирующего раствора является комплексообразующее вещество, с той целью, чтобы десорбируемый радионуклид находился в растворе и не осел обратно на ткань. В качестве комплексообразующего вещества применяют лимонную кислоту и ее соли, ЭДТА и ее натриевую соль, которая образует с неорганическими ионами прочные комплексы. Используют также конденсированные полифосфаты, дающие прочные комплексы с элементами II, III и IV групп периодической системы.

Смесь полифосфатов с моющими веществами и электролитами является одним из лучших дезактивирующих растворов для хлопчатобумажных изделий.

Комплексообразующие вещества применяют для дезактивации хлопчатобумажных тканей либо в слабощелочной среде совместно с мылом, либо в нейтральной или слабокислой среде с добавками моющих средств.

В табл. 11.36 представлены результаты дезактивации загрязненной 89Sr и 131I хлопчатобумажной ткани водой и растворами, содержащими комплексообразующее вещество ЭДТА и поверхностноактивное вещество — додецилбензилсульфонат натрия [80]. Из таблицы следует, что вода практически непригодна для дезактивации хлопчатобумажной одежды от изотопов стронция, а ПАВ и комплексообразующие вещества дают большую эффективность, если используются совместно. Из табл. 11.36 также видно, что коэффициент дезактивации уменьшается, если после загрязнения ткани прошло какое-то время, и это уменьшение эффективности обработки тем больше, чем длительнее промежуток времени после акта загрязнения.

В табл. 11.37 приведены составы ряда растворов, которые использовались при обработке хлопчатобумажной ткани, загрязненной различными радионуклидами, и достигнутые при этом коэффициенты дезактивации [2, 81–83]. Из таблицы следует, что основными компонентами используемых растворов являются ЭДТА, ГМФН, щавелевая и лимонная кислоты и их соли.

Для оценки дезактивирующих свойств различных растворов были проведены исследования [82] по дезактивации стиркой хлопчатобумажной ткани, загрязненной целым рядом радионуклидов (табл. 11.38). Наибольшей эффективностью из примененных растворов для большинства исследованных радионуклидов обладает раствор на основе ГМФН. Для дезактивации ткани, загрязненной радионуклидами стронция, наиболее пригодными являются лимонная кислота и натриевая соль лимонной кислоты.

В производственных условиях возможно загрязнение одежды различными изотопами в разнообразных сочетаниях. В [81, 85] рекомендуют единый дезактивирующий раствор, применение которого обеспечивает необходимую эффективность стирки при загрязнении одежды различными изотопами.

Таблица 11.36

Коэффициент дезактивации хлопчатобумажной ткани, загрязненной
радионуклидами 89Sr и 131I, в зависимости от состава раствора
и от времени, прошедшего после нанесения загрязнения [80]

Состав моющего раствора

89Sr

131I

0,5 ч

5 сут.

10 сут.

15 сут.

0,5 ч

5 сут.

10 сут.

15 сут.

Вода

5,5

4

2,5

2,1

39

25

18

12

0,014% -й раствор ЭДТА

8

7

5,6

5,0

42

27

19

14

0,07% -й раствор додецилбензилсульфонат натрия

7

6,6

6,2

5,5

52

38

26

18

Смесь растворов 0,014 % ЭДТА и 0,07 %
додецилбензилсульфонат натрия

9,9

8,8

7,9

7,0

55

41

28

21

Таблица 11.37

Составы некоторых растворов, использованных для обработки
хлопчатобумажной ткани, загрязненной различными радионуклидами,
и достигнутые коэффициенты дезактивации [2, 81–83]

Радионуклид и химическое
соединение

Дезактивирующий раствор

KД

141Се, CeCl3 30% -й водн. раствор ЭДТА + ГМФН* + цитрат аммония

200

131I, NaI 1 % KI + цитрат натрия + ПАВ (алкилбензолсульфонат)

100

91Y, YCl3 3% -й раствор цитрата аммония + ГМФН + ЭДТА

200

89Sr, Sr(NO3)2 (1–3) % -й раствор ЭДТА + ГМФН + цитрат аммония + цитрат натрия

200

59Fe, FeCl3 3% -й раствор ГМФН + цитрат аммония + цитрат натрия + лимонная кислота

14–20

239Pu, Pu4+ 0,1% -й раствор ЭДТА + 0,2%-й раствор лимонной кислоты + 0,03 % ПАВ

50

Смесь 90Sr–90Y, 106Ru–106Rh, 144Ce–144Pr, 134Cs 0,1% -я щавелевая кислота + 0,4 % ГМФН + 0,3 % ОП-7 или раствор: 0,4% HCl + 0,4 % ГМФН + 0,3 % ОП-7

> 100

106Ru, Ru4+ 0,2% -й раствор щавелевокислого натрия + 0,4 % ГМФН + 0,3 % ОП-7

200

* ГМФН — гексаметафосфат натрия.

Таблица 11.38

Коэффициент дезактивации стиркой хлопчатобумажных тканей,
загрязненных различными изотопами [82]

Состав раствора

89Sr

91Y

141Ce

59Fe

32P

131I

Вода

3,3

1,8

3,3

3,0

5,6

20,0

Натриевая соль лимонной кислоты

333

66,7

20,0

6,7

100,0

Электролиты

50,0

1,5

1,7

5,3

14,3

Лимонная кислота

500

2,6

18,2

14,3

2,0

20

Цитрат аммония

55,6

167

40

4,0

25

N,N-Дигидроксиэтилглицин

167,7

111,0

26,6

25,0

20,0

ГМФН

1000

250

200

66,7

6,7

66,7

11.10.2. Дезактивация одежды из шерстяных и искусственных тканей

В состав шерсти входит кератин, полипептидная цепь которого состоит из большого числа аминокислот. В составе шерсти имеются также диаминокислоты (лизин и др.) и дикарбоновые кислоты (аспарагиновая и глутаминовая). Кератин шерсти обладает амфотерными свойствами, т. е. характеризуется способностью связывать водородные или гидроксильные ионы в водных растворах кислот и щелочей. Кератин, как и аминокислоты, в зависимости от рН среды может проявлять различные ионообменные свойства:

в кислой среде, когда рН < 7, —

HONH3 R COOH → +NH3 R COOH + OH;

в щелочной среде при рН > 7, —

HONH3 R COOH → HONH3 R COO + Н+

В зависимости от рН среды волокна шерсти обладают катионообменными или анионообменными свойствами. В растворах с рН > 8 шерсть в больших количествах поглощает щелочь, а с рН < 5 — кислоты. В связи с такими свойствами шерстяных тканей их дезактивацию проводят водными растворами неионогенных ПАВ, поскольку они более эффективны по сравнению с мыльными растворами.

Синтетические ткани применяют для изготовления специальной одежды: комбинезонов, полукомбинезонов, халатов, фартуков, нарукавников, перчаток и т. д. Из множества выпускаемых промышленностью синтетических тканей лучшие физико-химические свойства имеет лавсан, обладающий достаточной химической стойкостью и прочностью.

Исследования показали, что при одинаковых условиях загрязнения радиоактивными веществами загрязненность искусственной ткани примерно в пять раз меньше, чем хлопчатобумажной [86]. Пригодность синтетических тканей для изготовления специальной одежды определяли сопоставлением результатов дезактивации [87]. Загрязнение ткани проводили смесью радиоактивных изотопов, а дезактивацию осуществляли раствором состава: 2 % HCl, 0,4 % ГМФН и 0,3 % ОП-7 [88]. Из данных этих исследований, приведенных в табл. 11.39, видно, что капроновая, лавсановая и полипропиленовая ткани дезактивируются лучше, чем нитроновая, хлориновая и фторлоновая, что, вероятно, объясняется не только природой полимеров, но и методом формирования волокна.

Нитрон, хлорин и фторлон получают из растворов; они имеют пористую структуру, что способствует адсорбции и прочному закреплению радиоактивных веществ. Данные, приведенные в табл. 11.39, справедливы при загрязнении тканей в нейтральной среде. При загрязнении в кислой среде для этих же тканей получены другие коэффициенты дезактивации (табл. 11.40). Сопоставление данных табл. 11.39 и 11.40 показывает, что при замене нейтральной загрязняющей среды на кислую коэффициент дезактивации лавсановых и полипропиленовых тканей значительно возрастает, а капроновых и нитроновых тканей резко уменьшается. В данном случае полимеры, содержащие аминогруппу (капрон), в кислой среде дают труднорастворимые соединения с радиоактивными веществами. Полиакрилонитрильные волокна (капрон) под действием разбавленной соляной кислоты образуют амидные и карбоксильные группы, которые взаимодействуют с радиоактивными веществами.

Таблица 11.39

Зависимость коэффициента дезактивации (KД)
от природы полимера ткани при нейтральном
загрязняющем растворе [88]

Ткань

Число циклов загрязнение—дезактивация

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Капрон

167

125

100

67

67

Лавсан

200

125

125

110

110

Нитрон

50

20

15

13

12

Хлорин

50

30

25

25

25

Фторлон

100

67

50

50

33

Полипропилен

143

143

125

125

111

Таблица 11.40

Зависимость коэффициента дезактивации (KД)
от природы полимера ткани при кислом
загрязняющем растворе [88]

Ткань

Число циклов загрязнение—дезактивация

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Капрон

5,3

4,3

4,2

4,2

3,7

Лавсан

333

333

200

167

167

Нитрон

10

5,3

4,0

3,5

3,1

Хлорин

66,7

50,0

33,3

28,6

20,0

Фторлон

100

50

40

40

33

Полипропилен

500

250

250

250

200

Из вышеперечисленных полимерных тканей предпочтение лавсану отдается не только потому, что у этой ткани высокий KД, но и потому, что лавсан имеет лучшие физико-химические свойства.

Лавсан получают из полиэфирного олигомера — полиэтилентерефталата, который является продуктом поликонденсации терефталевой кислоты с этиленгликолем.

Лавсановое волокно обладает высокой устойчивостью к действию органических и минеральных кислот, окислителей, восстановителей и органических растворителей. Но через лавсановую ткань сравнительно легко проникают радиоактивные загрязнения. Для устранения этого недостатка производят гидро- или олеофобизацию лавсанового волокна, которая осуществляется нанесением на ткань гидрофобизирующих средств или модификацией поверхности волокна введением в его состав различных реагентов [89]. Гидрофобизацию проводят путем нанесения на ткань парафино-стеариновой эмульсии. Однако после такой гидрофобизации лавсановая ткань дезактивируется от радиоактивных загрязнений примерно в 2–3 раза хуже. Недостатком такой обработки ткани является также и то, что парафиново-стеариновая эмульсия смывается водой и растворами уже после первой-второй дезактивации. Лучшим средством для гидрофобизации лавсановой ткани оказался фенол-формальдегид Ф-9 [89], который выдерживал до 12 циклов дезактивации раствором состава 2 % HCl, 0,4 % ГМФН и 0,3 % ОП-7.

Хорошо зарекомендовали себя ткани, состоящие из смеси волокон лавсана и хлопка. Они достаточно плотные, и защитная эффективность таких комбинированных тканей составляет 80–94 % .

В качестве индивидуальных средств защиты кожи применяют пневмокостюмы, защитные костюмы, изолирующий комплект и другие средства. Применение этих средств изменяет соотношение между загрязненностью защитной одежды, белья и кожи. Примерное соотношение между загрязненностью кожи, белья и защитной одежды из полимерных материалов составляет 1 : 1 : 400, т. е. кожа и белье загрязняются в 400 раз меньше, чем защитная одежда. В то же время, если одежда изготовлена из хлопчатобумажной ткани, кожные покровы загрязняются только в 15 раз меньше, чем сама одежда (табл. 11.34).

В качестве основы для защитных пленок и тканей чаще других применяют поливинилхлоридные полимерные материалы, пластифицированные дибутилфталатом, и стабилизированные динафтилметаном. Выпускаемые промышленностью поливинилхлоридные пленки обеспечивают коэффициент дезактивации в пределах 200–5000.

11.10.3. Повышение эффективности дезактивации одежды

Во время ликвидации аварии в Чернобыле было установлено, что коэффициент дезактивации стиркой одежды, загрязненной радионуклидами, значительно ниже KД, которые были получены ранее при обработке этим способом одежды, загрязненной продуктами деления ядерного взрыва [90]. Это заставило изыскивать пути интенсификации процесса дезактивации. Была проведена модификация существующих режимов стирки путем повышения температуры раствора на 10–20° и введения в раствор глинистых сорбентов, а также был применен экстракционный способ дезактивации.

За счет сорбционных свойств глины эффективность дезактивации некоторых радионуклидов: 90Sr, 144Ce и др. возросла в 10–20 раз [2]. Способ дезактивации одежды с помощью избирательного растворителя называют экстракционным. В качестве растворителей могут использоваться дихлорэтан (ClCH2 CH2Cl) [28, 35], трихлортрифторэтан (С2Cl3F3) [91], тетрахлорэтилен (Cl2C= CCl2) и др. По отношению к радиоактивным загрязнениям действие органического растворителя во многом схоже с действием дезактивирующего раствора на основе ПАВ. Поверхностное натяжение растворителя, например для четыреххлористого углерода, равно 26,4, для тетрахлорэтилена — 31,7 МДж/м2, что в 2 раза меньше, чем для воды (72,75 МДж/м2) и несколько ниже по сравнению с водными растворами, содержащими ПАВ. Следовательно, создаются благоприятные условия для смачивания и перехода радиоактивного вещества в растворитель.

Некоторая часть радионуклидов все же плохо удаляется растворителем, поскольку удерживается на тканях за счет ионообменных свойств. Для удаления таких радионуклидов вводят добавки, в том числе и комплексообразующие вещества. Для удержания радионуклидов в растворителе применяют механическое перемешивание обрабатываемой одежды и растворителя. При этом растворенные радионуклиды из области большей концентрации у обрабатываемой поверхности переходят в область меньшей концентрации в объеме растворителя, что снижает вероятность повторного загрязнения. Эффективность дезактивации загрязненной 58Со и 137Сs защитной одежды путем экстракции изучалась в [91]. Коэффициент дезактивации при обработке сильно загрязненной одежды на основе синтетической ткани в трихлортрифторэтане колебался в пределах от 3 до 32. Причем увеличение числа циклов экстракции практически не сказывается на эффективности дезактивации.

Таблица 11.41

Эффективность дезактивации одежды в полевых экстракционных станциях (Чернобыль)
с помощью водных растворов и экстракционным методом
в зависимости от начального уровня загрязнения [22, 95]

Способ
дезактивации

Коэффициент дезактивации в зависимости от начального уровня загрязнения, мр/ч

1,2–2,0

3,0–5,0

5,0–10,0

18,0–20,0

40,0

Водный

7–8 (0,2–0,3)

10–14 (0,3–0,35)

13–18 (0,4–0,75)

Экстракционный

10–14 (0,12–0,14)

16–18 (0,16–0,30)

14–20 (0,5–0,7)

16–18 (1,0–1,2)

13–25 (1,6–1,80)

Примечание. В скобках приведен уровень остаточного радиоактивного загрязнения.

В Чернобыле дезактивация одежды экстракцией осуществлялась в полевых экстракционных станциях, работающих на основе замкнутого цикла с регенерацией растворителя. На этой стадии проводилась также обработка в водной среде. Обобщенные данные по дезактивации одежды водным раствором и экстракционным способом с помощью растворителя (дихлорэтана) в зависимости от степени загрязненности приведены в табл. 11.41 [22, 92]. Из таблицы видно, что экстракционный метод более эффективен по сравнению с обработкой одежды водными растворами. Дезактивации экстракцией можно подвергнуть любые виды одежды, в том числе защитную из полимерных и прорезиненных материалов. В этом преимущество экстракционного способа. Но экстракция, в отличие от стирки, требует больших затрат и наличия растворителей, которые значительно дороже воды.

Расход растворителя определяется жидкостным модулем, равным количеству растворителя в литрах, затрачиваемого на обработку 1 кг одежды. В зависимости от применяемого оборудования, растворителя, степени загрязненности и вида одежды жидкостный модуль колеблется от 2,3 до 6,0 л/кг.

Таблица 11.42

Допустимые уровни радиоактивного загрязнения кожи, спецбелья,
спецодежды и средств индивидуальной защиты (част./(см2 · мин)) [1]

Объект загрязнения

a -активные нуклиды*1

b -активные
нуклиды

отдельные*2

прочие

Неповрежденная кожа, спецбелье, полотенца, внутренняя поверхность лицевых частей средств индивидуальной защиты

2

2

200*3

Основная спецодежда, внутренняя поверхность дополнительных средств индивидуальной защиты, наружная поверхность спецобуви

5

20

2000

Наружная поверхность дополнительных средств индивидуальной защиты, снимаемых в саншлюзах

50

200

10000

*1 Суммарное снимаемое и неснимаемое загрязнение.

*2 К отдельным относятся a -активные нуклиды, среднегодовая допустимая объемная активность которых в воздухе рабочих помещений ДОА < 0,3 Бк/м3.

*3 Допустимые уровни загрязнения кожи, спецбелья и внутренних поверхностей лицевых частей средств индивидуальной защиты для 90Sr + 90Y установлены 40 частиц/(см2 · мин).

Основным этапом экстракционной обработки является мойка, затем производится центробежный отжим и сушка одежды горячим воздухом. Отработавший растворитель фильтруется и подвергается регенерации, в том числе методом перегонки. Часть растворителя при обработке одежды и в процессе регенерации безвозвратно теряется, а сама регенерация требует дополнительной аппаратуры и затрат, что повышает стоимость всего процесса дезактивации. Обработка одежды стиркой и экстракция являются основными способами дезактивации. Предпочтение, однако, отдается дезактивации стиркой, а экстракция рекомендуется в тех случаях, когда исключается возможность дезактивации стиркой, например, когда рядом нет дешевого источника воды.