红壤中铀的迁移转化规律及控制方法研究

发布时间：2020-10-30 15:45

　　 南方的江西省、湖南省以及广东省曾经是我国铀生产的主要地区,这些地区分布着很多铀尾矿库。随着时间的推移,在各种物理化学和生物过程作用下,铀尾矿库中的铀会向周边的土壤环境迁移扩散,污染周边的农田土壤和地下水。而我国江西省、湖南省以及粤北地区主要的土壤类型为红壤。因此,研究铀在红壤中的迁移转化及其控制方法,有利于了解铀的环境化学行为,为预测铀在红壤中的迁移趋势,以及为铀污染红壤的修复提供理论基础。对于控制铀尾矿库周边地区红壤及地下水铀污染具有重要的意义。本文选择我国南方某铀尾矿库周边红壤作为研究对象,采用批次吸附实验、土柱迁移实验、氧化还原转化实验以及钝化修复实验,结合模型模拟与各种分析检测手段,探讨铀在红壤中的迁移转化过程和机理,并对铀污染红壤中铀的迁移活性控制方法进行了研究。论文的主要内容和结论如下:1.采集我国南方某铀尾矿库周边包气带红壤样品,分析其理化特性参数,表明该红壤属于壤质粘土,具有低有机质、低pH值的特点。通过批次吸附实验,研究硫酸根作为背景电解质,不同溶液初始pH值和碳酸根浓度条件下红壤对铀的吸附模型和机理,结果表明:(1)不同初始pH值以及不同碳酸根浓度条件下,红壤对铀的吸附动力学均符合准二级动力学模型,而等温吸附均符合Freundlich等温吸附模型。(2)铀主要通过与红壤表面的羟基(-OH)作用而被吸附。溶液中没有碳酸根时,溶液平衡时的pH值控制着红壤对铀的吸附能力。而溶液中存在碳酸根时,碳酸根浓度和初始pH值共同控制着红壤对铀的吸附。2.通过室内土柱迁移实验并结合HYDRUS-1D软件,模拟硫酸根为背景电解质时,不同初始pH值以及不同碳酸根浓度的含铀污水灌溉条件,研究铀在红壤土柱中的迁移规律和模型,结果表明:(1)溶液初始pH值越小,铀在红壤中的迁移活性越大;碳酸根浓度越大,铀在红壤中的迁移活性也越大。(2)两点化学非平衡模型能很好地模拟不同初始pH值以及不同碳酸根浓度时铀在红壤土柱中的迁移规律。且平衡吸附位点比例分数f的值与初始溶液中带正电荷的铀形态的含量值近似相等,在不同碳酸根浓度实验组中,f为0,可用一点化学非平衡模型模拟不同碳酸根浓度时的穿透曲线。(3)模型参数敏感性分析表明,分配系数_dk′是最关键的参数。两点化学非平衡模型4个模型参数的敏感性由大到小依次为:分配系数_dk′、一级吸附速率常数ω、平衡吸附位点比例分数f、纵向弥散系数λ;一点化学非平衡模型3个模型参数的敏感性由大到小为:分配系数_dk′、一级吸附速率常数ω、纵向弥散系数λ。3.采集红壤型稻田土壤进行室内氧化-还原振荡实验和还原实验,模拟稻田土壤的氧化还原动态环境,研究土壤中铀的价态和形态转化规律和机理,可得以下结论:(1)在还原实验中,土壤中稳定四价铀(晶质铀矿和U(IV)-磷酸盐)的含量存在饱和值,表明不稳定的单体四价铀短时间之内不能向稳定的四价铀转化。(2)氧化-还原振荡实验中,土壤中水溶性的铀含量轻微升高,这可能会增加铀的环境风险,但稳定四价铀的含量显著增加。且土壤中稳定的四价铀在氧化周期内不会被氧化。(3)土壤中微生物群落的改变以及土壤表面铁氧化物的氧化还原转化在铀的氧化还原转化过程中起到了关键的作用。(4)通过Tessier连续提取可知,氧化-还原振荡实验中,土壤中稳定四价铀的增加表现为醋酸盐提取态的铀向更稳定的羟胺提取态转化。4.采用稻壳生物炭钝化修复铀污染红壤。通过研究稻壳生物炭对溶液中铀的吸附特征,以及稻壳生物炭修复铀污染红壤后,红壤中铀的化学稳定性和酸雨条件下的迁移活性,得到以下结论:(1)中性条件下,稻壳生物炭对溶液中的铀具有较强的吸附能力。(2)稻壳生物炭修复酸性铀污染红壤后,土壤的pH值得到一定程度的改善。(3)通过合成沉淀浸出法(SPLP)可知铀污染红壤中约26.53%的铀可被提取,而添加5%和10%稻壳生物炭修复的铀污染红壤中铀的可提取率分别降至约2.58%和1.40%,表明稻壳生物炭修复后,红壤中铀的短期释放潜力大大降低。(4)Tessier连续提取可知,随着稻壳生物炭添加比例的增大,可交换态的铀含量减少,碳酸盐结合态的铀含量增多,铁锰氧化物结合态的铀略有减少,而有机质结合态和残渣态的铀含量基本不变。且可交换态与碳酸盐结合态铀的含量之和略有增多,可知稻壳生物炭修复后铀污染红壤中铀的化学稳定性仍然不高。(5)模拟三年酸雨量淋溶实验可知,铀污染红壤中约26.37%的铀被浸出,而添加5%和10%的稻壳生物炭修复的铀污染红壤相同条件下的浸出率分别只有7.30%和3.18%,表明稻壳生物炭修复后,红壤中铀的长期释放潜力也大大降低。
【学位单位】：南华大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X53;O647.3
【部分图文】：

图 1.1 铀的 Eh-pH 水溶液电化学平衡图谱（log∑CO2=-1）[100]Figure 1.1 The Eh-pH diagram of U with log∑CO2=-1在还原条件下，四价铀是稳定的，但 Wan 等[109]发现生物原环境仍然能被氧化；且在还原环境中三价铁的还原性溶

图 1.2 铀尾矿库中铀在周边环境中迁移转化示意图Figure 1.2 Schematic diagram of U transport and transformation in soils around the urnaium tailingimpoundment

本研究的技术路线图
【参考文献】

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本文编号：2862683