SeO?·Bi?O?对废弃阴极射线管（CRT）玻璃的结构和辐射屏蔽性能的影响

《Applied Radiation and Isotopes》：Influence of SeO 2-Bi 2O 3 on structure and radiation shielding of waste cathode ray tubes (CRT) glasses

废CRT玻璃经SeO?-Bi?O?二元系统改性后，密度在10% SeO?时达2.899 g/cm3，硬度提升显著，辐射屏蔽性能最优（LAC=0.11015 cm?1，Zeff=30.17461）。

　　

Z.A. Alrowaili|Awatif Alshamari|Norah Alomayrah|Jamila S. Alzahrani|Canel Eke|M.S. Al-Buriahi

沙特阿拉伯朱夫大学理学院物理系，邮政信箱：2014，Sakaka

摘要

本文研究了SeO₂-Bi₂O₃二元添加剂系统对废旧阴极射线管（CRT）玻璃的硬度、密度、化学性质、形态以及辐射屏蔽性能的影响。CRT+5S-B、CRT+10S-B和CRT+20S-B的密度分别为2.622 g/cm³、2.899 g/cm³和2.322 g/cm³。当SeO₂添加比例为10%时，密度和硬度均有所增加；而当SeO₂添加比例达到20%时，密度和硬度则有所下降。在15 MeV的能量下，CRT-5S-B的线性衰减系数（LAC）为0.09684 cm^-1，CRT-10S-B为0.11015 cm^-1，CRT-20S-B为0.09036 cm^-1，其中CRT-10S-B的LAC最高，CRT-20S-B的LAC最低。在15 MeV时，CRT-20S-B的有效数（Z_eff）最大，为30.17461；而CRT-5S-B的有效数最小，为27.54284。在0.1 MeV时，CRT-20S-B的有效数最大，CRT-5S-B的有效数最小。CRT-10S-B的平均自由路径（MFP）最短，为9.07823 cm；而在15 MeV时，CRT-20S-B的平均自由路径最长，为11.06709 cm。CRT-5S-B的总快中子去除截面为0.05856 cm^-1，CRT-10S-B为0.06359 cm^-1，CRT-20S-B为0.04986 cm^-1。因此，CRT-10S-B在光子和快中子屏蔽性能方面表现更优。

引言

过去几十年里，为了满足电视机、电脑显示器和示波器的需求，阴极射线管（CRT）的产量逐年增加。然而，随着液晶技术的进步，CRT被性能更好、更便宜、更轻的发光设备（如等离子屏幕、液晶显示器LCD和有机发光二极管LED屏幕）所取代。含铅玻璃作为电子废弃物主要来源于废旧CRT显示器和废旧电光源产品，这导致了电子废弃物的大幅增加，因此消除电子废弃物已成为全球性的关键问题，尤其是含铅玻璃的处理和处置。CRT玻璃分为面板玻璃、漏斗玻璃和颈部玻璃，其中漏斗玻璃和颈部玻璃分别含有24 wt.%和30 wt.%的铅。每台CRT显示器和电视机大约含有0.4-1公斤的氧化铅。含铅玻璃从填埋场渗出可能会严重污染环境和人类健康，因此迫切需要开发新的技术来对其进行解毒和回收。如果铅释放到环境中，会损害人们的神经系统、血液系统及生殖系统，尤其是对儿童造成不可逆的伤害。另一方面，铅和混凝土由于其高原子序数和高密度，是传统的辐射屏蔽材料，用于防护电离辐射的危害。最近，研究人员开始关注使用回收的CRT废弃物开发新型辐射屏蔽材料。例如，Alrowaili等人研究了含有Li₂O和Y₂O₃的回收CRT废弃物的辐射屏蔽能力，发现随着Li₂O+Y₂O₃含量的增加，废弃CRT玻璃的带电粒子吸收能力、快中子去除截面和热中子截面也随之增强。Shi等人研究了回收电子废弃物CRT玻璃对地质聚合物混凝土（GC）辐射屏蔽性能的影响，结果表明添加CRT后GC的辐射屏蔽能力得到提升。Gao等人研究了CRT混凝土在质子治疗中的辐射屏蔽效率及治疗室的最佳屏蔽设计，发现CRT混凝土的防护能力优于普通混凝土和重晶石混凝土。Sopapan等人研究了BaO对CRT的X射线和伽马射线屏蔽特性的影响，发现添加BaO后辐射屏蔽性能得到改善，且回收CRT玻璃的辐射屏蔽性能优于铁氧体混凝土。Basha等人发现向CRT屏幕废弃物玻璃中添加Bi₂O₃可以提高其对光子、快中子和热中子的吸收能力。Alzahrani等人评估了Na₂CO₃对回收CRT玻璃辐射屏蔽性能的影响，发现使用Na₂CO₃降低铅含量会导致辐射吸收能力显著下降。此外，还有许多关于CRT玻璃应用的重要研究，这些研究通过多种理论方法和/或蒙特卡洛模拟确定了玻璃的结构特性和辐射屏蔽性能。

本研究探讨了SeO₂-Bi₂O₃二元添加剂系统对废旧CRT玻璃的物理、结构和辐射屏蔽特性的影响。这种添加剂系统可以提高玻璃的致密性、密度和辐射屏蔽性能，其双重功能在玻璃形成能力（来自SeO₂）和高Z值衰减（来自Bi₂O₃）之间取得了平衡。

材料与方法

本研究使用了CRT废弃物玻璃。所研究的SeO₂-Bi₂O₃二元添加剂系统由Sigma Aldrich公司提供。实验中使用的SeO₂和Bi₂O₃粉末平均粒径约为<50 μm。为了确保混合均匀和颗粒间良好接触，这些粉末被压制成颗粒状。

扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）结果

图2展示了不同SeO₂-Bi₂O₃添加比例样品的SEM图像。从图2(a)可以看出，样品表面平整且均匀，结构中的微孔和裂纹很少，表明添加剂在玻璃基体中分布均匀。图2(b)中，随着添加剂比例的增加，出现了新的晶体相。

结论

本研究考察了SeO₂-Bi₂O₃二元添加剂系统对废旧阴极射线管（CRT）玻璃的硬度、密度、化学性质、形态以及辐射屏蔽性能的影响。结果表明，添加量达到10 wt.%的SeO₂显著提高了样品的密度和硬度，使其具有最佳的辐射衰减性能。同时，CRT-10S-B的LAC最高，而CRT-20S-B的LAC最低。

CRediT作者贡献声明

Norah Alomayrah： 负责监督工作

未引用参考文献

39.; 40.

资助

本研究由萨卡里亚大学科学研究项目（项目编号：2024-25-55-172）资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。