水合氧化铝胶体和胡敏酸对U（Ⅵ）在饱和多孔介质中运移的影响

发布时间：2020-07-22 19:44

【摘要】：深入理解放射性核素的迁移行为对于放射性污染治理以及放射性废物的安全处置具有重要意义。近年来的场地研究发现,无处不在的环境胶体对放射性核素迁移的贡献是重要的。然而,胶体存在下放射性核素的运移/迁移问题本身尚未得到深入研究。由不同类型胶体所形成的复合胶体存在下,放射性核素的运移研究几乎还是一片空白。基于以上背景,本论文工作以水合氧化铝胶体和胡敏酸作为两种模型胶体,对比研究它们各自存在条件下以及共存条件下对U(VI)在两种饱和多孔介质(石英砂和北山花岗岩颗粒)中的运移行为;重点考察了流速、pH、离子强度、初始U(VI)浓度和胡敏酸浓度等因素对运移的影响;基于一维对流-弥散方程拟合了运移实验数据;对单一和复合胶体存在条件下U(VI)的运移机理进行探讨。本工作主要包含以下几方面内容:(1)制备并表征了水合氧化铝(三水铝石)胶体,并通过柱实验研究了U(VI)和水合氧化铝胶体在饱和石英砂柱中的单独运移及共运移行为。结果表明,U(VI)在饱和石英砂柱中滞留明显,且滞留随U(VI)浓度的降低显著增强;在高浓度U(VI)条件下,U(VI)的滞留随pH增大而增强;离子强度和流速对U(VI)的运移影响不显著。水合氧化铝胶体在饱和石英砂柱中的滞留显著,且滞留随pH和离子强度增大而增强,流速的影响同样不显著。水合氧化铝胶体能显著促进低浓度U(VI)的运移,但是会抑制高浓度U(VI)的运移,且对高浓度U(VI)运移的抑制作用随pH和离子强度增大而显著增强。(2)研究了胡敏酸对U(VI)在饱和石英砂柱中运移的影响。结果表明,胡敏酸在饱和石英砂柱中的滞留微弱,胡敏酸能显著促进U(VI)的运移,且促进作用随pH和离子强度增大略有增强。(3)研究了水合氧化铝胶体和胡敏酸同时存在条件下,复合胶体在饱和石英砂柱中的运移行为,以及复合胶体对U(VI)运移的影响。无论U(VI)存在与否,在水合氧化铝胶体和胡敏酸胶体共存条件下,它们始终一起以复合胶体形式共同运移的;低浓度的胡敏酸无法改变水合氧化铝胶体对高浓度U(VI)运移的抑制作用,但是当胡敏酸较高时,它会显著促进水合氧化铝胶体以及U(VI)的运移。(4)研究了水合氧化铝胶体、胡敏酸和U(VI)在北山花岗岩颗粒柱中的单独及共运移行为。两种胶体与U(VI)在北山花岗岩颗粒柱中的运移及共运移行为与其在饱和石英砂柱中的运移行为相似,只是花岗岩颗粒柱对U(VI)以及胶体的滞留作用更为显著,表明花岗岩比石英砂与U(VI)和水合氧化铝的相互作用更强,饱和多孔介质本身的性质对胶体存在下U(VI)的迁移也有重要影响。(5)分析了胶体在运移过程中的粒径与Zeta电位的变化。流出液中胶体平均粒径随孔体积的增大逐渐减小至储备液中胶体平均粒径大小水平;Zeta电位的绝对值则随孔体积的增大而逐渐增大至储备液中胶体Zeta电位的绝对值水平,表明胶体的尺寸排阻效应在胶体运移过程中有重要影响。(6)使用STANMOD和HYDRUS-1D软件分别通过双位点化学非平衡模型及双动力位点模型对U(VI)以及胶体的运移数据进行了拟合。结果显示,模型可以很好地描述U(VI)和胶体在饱和多孔介质中的运移数据。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X771;O648.1
【图文】：

示意图,多重屏障,高放废物,处置库

州大学博士研究生学位论文水合氧化铝胶体和胡敏酸对 U(VI)在饱和多孔介质中运移的影响被认为是目前最现实可行的处置方案，也是包括我国在内的许多国家将考虑的处置方案。高放废物深地质处置是将高放废物埋藏在深约 500～1000m 的条件稳定的地下工程中，将其永久地与生物圈进行隔离，以减少或避免其对及人类产生影响。埋葬高放废物的“坟墓”被称之为“高放废物处置库”。废物处置库采用多重屏障的的设计思路。多重屏障主要包括由废物储藏罐回填材料组成的工程屏障，以及由周围岩体构成的天然屏障[7]。考虑到高放的特性，处置库的选址、设计、建造、性能评价、安全评价等各个环节的要极为苛刻，处置库的安全期限要至少达到 1 104年。目前世界上尚无任何工程能达到如此高的要求。当放射性核素突破处置库工程屏障，它们将随地迁移，对于以花岗岩为处置库围岩的处置库，往往存在大量裂隙，这些裂隙射性核素的迁移提供了通道，放射性核素很可能随地下水的流动通过裂隙从库近场向处置库远场环境迁移。因此，研究放射性核素在地下环境尤其是多质中的迁移行为，对高放废物处置库的安全评价都具有重要意义。

示意图,放射性核素迁移,胶体,环境

州大学博士研究生学位论文水合氧化铝胶体和胡敏酸对 U(VI)在饱和多孔介质中运移的影理化学因素密切相关[9]。研究者当初普遍认为，放射性核素在地下环境中仅以溶质的形式进行迁移固相（岩石，土壤等）因为发生强烈的吸附作用而被强烈阻滞[10]。但随的不断深入，人们发现，实验室模拟研究结果与现场研究实际结果出现了偏差，放射性核素在地下环境中随地下水的迁移能力远超过实验室模拟预果。人们开始注意到，地下水环境中还存在除了液相和气相的可移动第三胶体相。在现场研究中有人发现，部分放射性核素在地下环境中会以胶体发生长距离的迁移。科学家们开始意识到地下环境中的天然胶体可能在放射素迁移的过程中起至关重要的作用。目前，许多现场及实验室研究已经证实性核素会通过水解形成放射性真胶体或者与地下环境中胶体结合形成放射胶体，以胶体形态在地下环境中存在并迁移[10-12]。因此，环境胶体与放素的相互作用以及对放射核素迁移的影响成为高放废物处置库安全评价研究课题，引起了广泛关注。

胶体,处置库,放射性核素,环境

图 1-3 胶体促进放射性核素在处置库环境迁移的条件[11]。体迁移的因素核素与胶体结合之后，在地下环境中的命运主要由胶体在多孔决定。胶体在多孔介质中的行为主要包括溶解、聚沉（团聚、沉截留、重力沉降、扩散、吸附等过程[20]。这些过程受很多因素身的性质、多孔介质的性质以及流动相的性质等。胶体自身性质的影响胶体粒径对胶体在多孔介质中迁移有显著影响。根据 DLVO 理，如果胶体粒径大于孔隙尺寸，阻塞效应和重力沉降过程会主中迁移，反之阻塞效应和重力沉降过程则可忽略，由扩散运动如，O’Carroll 等[21]研究了不同粒径的多壁碳纳米管纳米颗粒发现较小粒径的胶体在砂柱中的沉积量比较大颗粒的胶体更多论，胶体粒径越小，胶体的布朗运动越强，胶体与多孔介质表

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