放射性核素在几种矿物组分上的吸附和微观结构的研究

在核废料处置中，长寿命放射性核素在环境介质中的吸附和化学形态，对于评估和分析其对环境和人类健康潜在危害具有重要的意义。本项目主要利用静态法、动态法研究放射性核素（U(VI)和Th(Ⅳ)）在几种矿物组分（蒙脱石、伊利石和高岭土）上的吸附/解吸。通过研究不同pH、不同离子强度、不同配体存在下和不同温度条件下的吸附，得到U(VI)和Th(Ⅳ)在粘土矿物上的吸附／解吸曲线及吸附等温线。用表面络合模型及一维对流-弥散方程对上述曲线构模 (modeling)，并通过光谱法（EXAFS）及XPS和EDS等先进手段对放射性核素U（VI）和Th（Ⅳ）在粘土矿物上的吸附机理和吸附形态及微观结构进行分析；通过对不同温度下吸附模型的处理，可得到它们的吸附的热力学参数。这些都为深入了解放射性核素在地质介质的迁移提供参考，同时为我国高放废物处置提供理论基础。

本项目主要利用静态法和动态法研究放射性核素U(VI)和Th(IV)在蒙脱石、伊利石和高岭土上的吸附/解吸。通过研究时间、pH值、离子强度、温度和配体存在下对U(VI)和Th(IV)在粘土矿物上的吸附的影响。结果显示U(VI)和Th(IV)在三种粘土矿物的吸附很快就达到平衡。离子强度对U(VI)和Th(IV)在蒙脱石、伊利石上的吸附影响较大。温度对U(VI)和Th(IV)在蒙脱石上吸附的影响不及伊利石和高岭土大。磷酸盐促进粘土矿物对U(VI)和Th(IV)的吸附。腐殖酸促进高岭土和蒙脱石对U(VI)和Th(IV)的吸附，但实验中所用腐殖酸对U(VI)和Th(IV)在伊利石上的吸附却没影响。通过动力学模型、吸附等温模型、表面络合模型，发现吸附过程都满足假二级动力学模型，求得吸附动力学参数及活化能，得出U(VI)、Th(IV)在三种粘土矿物上的吸附是化学过程； Th(IV)在不同粘土上的吸附，符合Langmuir的吸附模型，U(VI)在不同粘土上的吸附，符合Freundlich吸附模型，求得吸附容量。通过热力学研究，求得吸附反应的自由能、焓变和熵变。U(VI)、Th(IV)在三种粘土矿物上的吸附是吸热过程，并且吸附是自发的。.通过FTIR、XRD、XPS和EDS等手段对放射性核素 U（VI）和Th(IV)在粘土矿物上的吸附机理和吸附形态进行分析，发现吸附前后粘土矿物结构几乎没发生变化。低pH值下，在粘土矿物表面上以Th4+,UO22+的形式存在，离子交换和外层络合为主要反应机理；高pH值下，内层络合为主要机理，还有部分Th(IV)、U(VI)在粘土矿物表面形成水解物或沉淀。磷酸根存在下，粘土矿物表面形成≡SO-PO43-UO22+(≡SO-PO43-Th4+)而促进吸附。XPS谱图显示U(VI)、Th(IV)有三种不同组态：Th4+，Th的水解产物及Th-磷酸络合物和UO22+，UO22+的水解产物及UO22+-磷酸络合物。.通过动态法研究离子强度、流速、温度、配体下的吸附与解吸现象：U(VI) 、Th（IV）在粘土矿物吸附过程较缓慢，解吸较快，在高岭土上拖尾现象不明显，在蒙脱石上拖尾严重，吸附是不可逆的。对吸附过程和解吸过也进行了吸附模型处理，得到动态吸附参数。这些参数为深入了解放射性核素在地质介质的迁移提供参考，同时为我国高放废物处置提供理论基础。