磷酸基地质聚合物的结构演变及固化模拟核素研究

发布时间：2020-05-20 21:35

【摘要】：磷酸基地质聚合物(Al_2O_3·nSiO_2-mH_3PO_4,简称HPG)是一种由磷酸或磷酸盐激发铝硅酸盐而形成的由[SiO_4]、[AlO_4]、[PO_4]四面体构成的三维立体网络结构的无机聚合物。HPG能在高温的酸性环境下实现快速固化、放热量低、抗压强度高并能长期保持结构稳定,在处理酸性废液的过程中能够避免复杂的前期预处理程序。核能的开发利用使能源危机得到了一定程度的缓解,却带来了一系列的环境安全威胁。在核废料的后处理过程中,中低放射性废液通常使用水泥固化法处理。但在一些特殊场合,如核泄漏事故中,采用水泥固化法就需要繁杂的预处理工序,且事故多伴有较高的环境温度与酸性的水化条件,水泥固化的高放热量会对现场造成进一步破坏。本课题拟将HPG作为快速、高效的应急固化处置材料进行研究。研究分别利用高活性硅铝酸盐粉体和偏高岭土为原料制备了HPG,借助XRD、FTIR、FSEM-EDS等分析测试技术研究了不同Si/P、Al/P、水灰比及养护温度对HPG的抗压强度、凝结时间、结构组成的影响,并探究结构的演变及形成机制。并同时研究了偏高岭土/磷酸基地质聚合物(简称HPMG)的高温条件下物相结构稳定性,初步探究了HPMG对模拟核素Cs~+、Sr~(2+)的固化能力。得到的主要研究结果如下:(1)溶胶-凝胶法成功合成不同组分的高活性硅铝酸盐,以磷酸为激发剂,并通过改变水灰比、养护温度、Si/Al和P/Al等条件制备了HPG。当水灰比为0.60,养护温度为45℃,摩尔比H_3PO_4/Al_2O_3=1时,获得的HPG结构致密,抗压强度达26.8MPa;Al-O为重要的反应活性基团,提高Al-O的含量能够提高HPG的反应程度;反应过程中粉体中-Al-O-Si-键断裂生成大量-Al-O-P-连接[SiO_4]四面体生成具有-Si-O-Al-O-P-的凝胶相结构,当摩尔比H_3PO_4/Al_2O_31.0时,反应则倾向生成-P-O-Al-O-P-的凝胶相结构。同时[SiO_4]四面体相互结合生成低温方石英。(2)以偏高岭土为原料,磷酸为激发剂,通过改变水灰比、养护温度和P/Al等条件制备了偏高岭土磷酸基地质聚合物(HPMG)。改变水灰比(0.6~0.8)和养护温度(30~60℃)可以较大范围地调整HPMG的终凝时间(1.8h~7d)以获得满足不同工况,固化速率可控的HPMG速凝材料。随着磷酸用量增加,固化体的抗压强度先增后减,当摩尔比H_3PO_4/Al_2O_3=1.8,养护温度为50℃,水灰比为0.65时,HPMG获得最大抗压强度为98.8MPa。HPMG经1400℃高温处理过程中,生成了方石英、磷酸铝、莫来石等物相,其质量损失率低于25%,主要来自于自由水与结合水的损失。(3)以HPMG作为基体固化模拟核素Cs~+、Sr~(2+)。研究发现,HPMG具有致密的结构,孔径均为纳米级无害孔径,模拟核素固化体的28d抗压强度为HPMG的85~98%;模拟核素Cs~+、Sr~(2+)在固化体中以物理固封为主,常温下42d浸出率分别为3.7×10~(-5)cm/d与5.0×10~(-6)cm/d,均远低于国家规定限值。Cs~+在基体中分布均匀,而Sr~(2+)趋向分布在未完全反应的层间基体中。
【图文】：

地质聚合物,碱激发,主要结构

三硅长链型；-O-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-；Si/Al=3图 1-1 碱激发地质聚合物的主要结构式Fig.1-1 The main structural formula of alkali-geopolymers1.2.2 碱激发地质聚合物的反应机理于偏高岭土的分布广泛、价格低廉、高纯高活性等优点，因此常作为地究原料[29,30]。澳大利亚科学研究者 Walkley[31,32]也利用溶胶-凝胶法制备硅拟硅铝酸盐矿物，对碱激发地质聚合物的形成机理进行研究。所得ovits 教授所提出的解聚-聚合理论[4]基本一致，即：（1）溶解过程：碱性环矿物中 Si 和 Al 溶出形成聚合度较低的硅酸根和铝酸根基团；（2）低聚物的各种低聚合度的离子集团通过扩散、重排和缩聚形成单体聚合物（;3）聚合合物通过桥氧连接成高分子聚合物。如图 1-2 所示（以 NaOH、KOH 为

地质聚合物,碱激发,反应方程式

三硅长链型；-O-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-；Si/Al=3图 1-1 碱激发地质聚合物的主要结构式Fig.1-1 The main structural formula of alkali-geopolymers1.2.2 碱激发地质聚合物的反应机理由于偏高岭土的分布广泛、价格低廉、高纯高活性等优点，因此常作为地质聚合物的研究原料[29,30]。澳大利亚科学研究者 Walkley[31,32]也利用溶胶-凝胶法制备硅酸盐粉体来模拟硅铝酸盐矿物，对碱激发地质聚合物的形成机理进行研究。所得结论与Davidovits 教授所提出的解聚-聚合理论[4]基本一致，即：（1）溶解过程：碱性环境中，，OH-使矿物中 Si 和 Al 溶出形成聚合度较低的硅酸根和铝酸根基团；（2）低聚物的形成：溶出的各种低聚合度的离子集团通过扩散、重排和缩聚形成单体聚合物（;3）聚合过程：单体聚合物通过桥氧连接成高分子聚合物。如图 1-2 所示（以 NaOH、KOH 为例）：
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ317;TL941

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