Pu在膨润土层中的反应性迁移模拟研究(1)——地下水-膨润土体系演化的地球化学模拟

在某区含Pu高放废物处置系统的性能评价中,需要分析水-岩相互作用下蒙脱石、孔隙度、pH值等演化过程对膨润土材料性能及Pu反应性迁移的影响,为此,本文以工程屏障系统中厚度为1 m的柯尔碱膨润土回填材料为研究对象,基于地下水入渗景象,采用TOUGHREACT模拟了地下水-膨润土体系的地球化学演化。结果表明:膨润土完全饱和约需20年;膨润土中蒙脱石的伊利石化作用很弱,而去白云石化过程(白云石溶解、方解石形成)相对明显,这使得水中Ca^(2+)浓度减小、Mg^(2+)和HCO_(3)^(-)浓度增大、pH值呈弱碱性且维持在8.1~10.3范围内;膨润土的孔隙度和渗透率变化不明显(变化量不到2%)。这些演化过程将有利于维持膨润土的膨胀性,阻滞核素向外迁移。

Pu在膨润土层中的反应性迁移模拟研究(2)——Pu的种态分布及反应性迁移分析

为评估柯尔碱膨润土工程屏障材料的安全性能,采用考虑渗流扩散、溶解-沉淀、表面配位吸附、放射性衰变等多过程动态耦合的反应性迁移模拟方法,综合运用TOUGHREACT等程序开展了Pu在柯尔碱膨润土层中反应迁移的数值模拟,结合地下水-膨润土体系演化模拟分析了Pu的种态分布特征,叠加表面配位模型预测分析了Pu的长期迁移规律。结果表明:地下水中Pu主要以难迁移的Pu(OH)_(4)(aq)形式存在;由于膨润土的低渗透性和强吸附性,正常情景下Pu的扩散范围很小而将长期滞留于1 m厚膨润土中;在忽略强吸附阻滞作用的保守情景下,Pu在渗流作用下可扩散迁移出膨润土层;考虑到长时间尺度下不可避免存在的不确定性,建议重视渗流扩散为主导的其他过程和情景研究。

氨氮在膨润土改性黄土衬垫层中的吸附和扩散行为研究

膨润土改性黄土可以用作生活垃圾填埋场底部衬垫层。然而,污染物在膨润土改性黄土衬垫层中的吸附和扩散行为尚不明晰,无法对该类衬垫层的截污性能进行准确评价。研究向黄土中掺入质量占比为15%和30%的膨润土,通过开展批式吸附试验和扩散试验,研究氨氮在改性衬垫层中的吸附和扩散行为。研究结果显示:当膨润土的掺入量为15%时,氨氮在改性衬垫层上的吸附量与纯黄土衬垫层相比没有明显变化,但扩散速率下降了400%;当膨润土的掺入量达到30%时,氨氮在改性衬垫层上的吸附量增加了1.25倍,而扩散速率下降了420%。Pollutev7.0的模拟计算结果表明,在对膨润土改性黄土衬垫层的截污性能进行评价时,如果不考虑污染物的扩散行为,评价结果将产生3.50~4.75倍误差;而不考虑污染物的吸附行为,则将产生334~382倍误差。研究成果可为膨润土改性黄土衬垫层的截污性能评价提供理论依据。

甘蔗渣/膨润土基复合高吸水性树脂性能及应用研究

采用微波法,以蔗渣和膨润土为基质,与丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)共聚合成甘蔗渣/膨润土复合高吸水性树脂(B/BCSAR)。选取辐射时间、膨润土用量、AM/AA(质量比)及中和度四个因素,利用正交试验得到树脂的最佳制备条件,即AM/AA=0.5,中和度为60%,膨润土用量为6%,辐射时间为3min时,产品的吸水倍数和吸盐水倍数最大,分别为402.65g/g和86.14g/g。通过对B/BCSAR性能研究,结果表明,B/BCSAR吸附速率先快后慢,8h时吸水倍数最大,达到吸附平衡,且保水能力良好,有一定的机械强度,耐热耐寒及耐光照性能良好。B/BCSAR应用实验结果表明,作为土壤掺杂剂,当B/BCSAR的掺杂量为4g时,应用效果最好,发芽率达到80%,平均茎长为6.13cm;作为种子包衣剂,当包衣比为1∶30时,应用效果最好,发芽率为100%,平均茎长为7.58cm。二者相比,后者对植物发芽及前期生长更有利。

膨润土砌体墙受压性能及其本构模型的构建

我国高放地质处置库“三步走”战略稳步推进,研究缓冲/回填材料砌体结构力学性能及其破坏特性,可为缓冲/回填材料砌体结构的设计,以及砌块的地面堆砌储存提供基础数据。本文采用合适的压制路径将高庙子钠基膨润土粉末压制成砌块,并采用干砌方法堆砌成砌体墙,设计并进行了砌块单元间界面性能试验和轴心抗压试验,得到了砌块单元间界面剪切强度与剪切位移关系,分析了砌体墙应力-应变曲线和破坏形态。试验结果表明,砌体墙变形破坏经历特性变形、局部裂纹扩展、竖向裂纹贯通、失稳破坏和残余变形几个阶段。砌体墙的第一条裂隙出现在单个砌块单元内部,反映了砌块单元的压制质量是控制砌体墙工程性能的重要影响因素之一。基于试验数据,通过对比分析施楚贤、朱伯龙、TURNSEK和HODGKINSON及仲继清的本构关系发现,在峰前上升曲线段采用试验数据对仲继清模型参数进行修正,获得的理论应力-应变曲线与试验曲线较为吻合。

膨润土胶体在处置库围岩裂隙中的扩散模型研究

为了预测膨润土胶体在甘肃北山高放废物深地质处置库围岩裂隙中的扩散过程,提出了综合考虑膨润土胶体颗粒自重与水化力的扩散模型。研究了钠离子浓度、水化力、胶体颗粒自重以及蒙脱石体积分数对膨润土胶体的扩散过程和扩散系数的影响。研究结果表明:随着钠离子浓度的增加,膨润土胶体的扩散速率与扩散距离均减小。胶体颗粒自重越大,对扩散的影响越大。随着扩散的进行,水化力对扩散的影响逐渐减小,范德华力和扩散双电层力对扩散的影响逐渐增大,膨润土胶体的扩散系数整体表现为先减小后增大。当蒙脱石体积分数较小时(φ<0.45),随着钠离子浓度的增加,扩散系数整体上逐渐增大;当蒙脱石体积分数较大时(φ>0.45),钠离子浓度对扩散系数的影响较小。

高庙子膨润土胶体释放影响因素试验研究

高放废物处置库中缓冲回填材料膨润土与地下水相互作用时会释放出胶体,而胶体会直接影响放射性核素的迁移行为,因此,膨润土遇水释放胶体研究是处置库系统安全评价的重要内容之一。本文以高庙子膨润土为研究对象,通过室内试验,获得了离子种类、离子强度、pH、温度与浊度的关系曲线,并对这些因素影响胶体释放的机理进行了分析。结果表明:阳离子种类抑制膨润土释放胶体排序依次为Li^(+)<Na^(+)<K^(+)<NH_(4)^(+)<Zn^(2+)<Mg^(2+)<H+<Ca^(2+);阴离子中除OH-对胶体释放有显著促进作用外,其他阴离子基本对胶体释放影响不大;溶液离子强度越大,抑制膨润土胶体释放的能力越强;膨润土在中性条件下更容易释放胶体;在20~50℃之间,升高温度有利于膨润土胶体的释放。

膨润土矿物选矿提纯方法研究

膨润土是我国的一种优势资源,其主要矿物成分为层状结构的蒙脱石,但天然膨润土中蒙脱石的含量不高,一些低质的膨润土蒙脱石含量仅在50%左右,杂质含量较高,必须经过提纯才能用于开发高端产品。膨润土提纯方法及效果一直是行业急需的技术,但不同的膨润土性能及伴生的杂质不同,提纯方法不同,针对膨润土提纯方法的现状,通过综述回顾膨润土提纯的研究进展,为膨润土提纯在实际生产中应用提供指导。

膨润土基封孔材料界面改性及长效封孔功能研究

针对煤矿瓦斯抽采平均浓度低、持续时间短的技术难题和工程实践的现场需求,选择机械改性法、有机活化改性法等界面改性方法,以膨润土为基础材料,提高保水性、稳定性和触变性,研发得到瓦斯抽采钻孔液相封孔材料。采用“液封气”思想实现全周期触变封堵新生裂隙。现场应用结果表明:新材料封堵效果良好,平均抽采浓度41.66%,较传统材料提高15.27%,浓度衰减系数降低48%,补浆提升系数提高22%,可实现废孔利用。

膨润土和腐植酸对猪粪堆肥Zn、Cu钝化和微生物群落的影响

为提高堆肥资源化利用,减少农业面源污染,通过单独添加10%膨润土(BT)、10%腐植酸(HA)以及2.5%膨润土+7.5%腐植酸(BH1)、5.0%膨润土+5.0%腐植酸(BH2)和7.5%膨润土+2.5%腐植酸(BH3)混合添加的方式,开展了其对猪粪堆肥重金属Zn、Cu钝化效果及微生物群落组成影响的研究。结果表明:添加膨润土和腐植酸延长了堆肥高温期,BH3处理的可溶性有机碳(DOC)降解率达40.52%,较对照(CK)显著提高12.46个百分点(P<0.05)。堆肥过程中,BH3处理下的Cu生物有效态占比较堆肥前下降12.17个百分点,而Zn可氧化态占比较堆肥前上升29.74个百分点,降幅和升幅均显著高于其余处理(P<0.05)。与CK和单独添加处理相比,混合添加可显著提高重金属Cu、Zn钝化效率,BH3处理对Cu和Zn的钝化率分别达79.84%和36.97%,较CK分别显著提高47.80个百分点和23.09个百分点(P<0.05)。膨润土和腐植酸混合添加,不同程度地促进了厚壁菌门、梭菌纲等参与纤维降解的有益物种相对丰度的升高。BH3处理下拟杆菌门和拟杆菌纲的相对丰度显著高于同时期的其他各处理。研究表明,膨润土和腐植酸与猪粪共堆肥更有利于堆肥腐熟和重金属钝化,混合添加7.5%膨润土和2.5%腐植酸为最佳推荐比例。

膨润土与秸秆配施对根区土壤有机碳化学结构和酶活性的影响

为揭示膨润土与秸秆配施后土壤有机碳及其化学结构特征,选取黄土高原旱作区3年田间定位试验中的秸秆还田(S)、单施膨润土(B)、膨润土配施秸秆(H)、不施膨润土和秸秆不还田(CK)4个处理,研究膨润土与秸秆配施对根际土壤有机碳含量、有机碳化学结构和酶活性的影响。结果表明:施用膨润土和秸秆均能不同程度提高土壤有机碳含量,其中H处理较CK显著提高了19.65%。与CK相比,仅有H处理显著增加了烷基碳和烷氧碳的相对含量和脂族碳/芳香碳值,分别提高了25.53%、18.00%和50.98%;仅有H处理芳香性显著降低了30.93%;与CK相比,各处理增加了烷基碳/烷氧碳值,增幅为5.26%~17.54%,差异不显著;各处理降低了羧基碳和芳香碳相对含量,降幅分别为24.50%~38.19%和1.29%~21.97%,差异不显著。与CK相比,S、B和H处理蔗糖酶活性显著提高12.63%~33.16%;β-葡萄糖苷酶活性显著提高10.72%~45.56%;锰过氧化物酶活性显著提高25.10%~70.98%。相关性分析表明,土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶和锰过氧化物酶活性均与有机碳含量、烷基碳含量和烷基碳/烷氧碳值呈正相关,与羧基碳和芳香性呈负相关。综上所述,膨润土与秸秆配施能够提高土壤有机碳含量,提高土壤酶活性,增加活性有机碳含量,使土壤有机碳分子活化,有利于改善黄土高原旱作区土壤状况。

改性膨润土对污水中重金属离子吸附实验研究

这是一篇陶瓷及复合材料领域的论文。为了研究改性膨润土对污水中重金属离子的吸附效果,分析pH值、初始浓度、时间、固液比、温度和粒径对膨润土吸附效果的影响,并采用微观手段研究在吸附重金属离子前后膨润土内部矿物成分的变化以及红外光谱图的变化规律。结果表明:当改性膨润土掺量为0.2 g、吸附时间为1.5 h、温度设置为40℃,pH值设定为6,初始浓度均设定为200 mg/L和固液比设置为0.8 g/L时,改性膨润土的吸附效果达到较佳。改性膨润土经过吸附实验后,可以检测到明显的CuSO_(4)衍射峰,但是改性膨润土内部其他矿物成分不变,这说明改性膨润土可以有效地吸附污水中的铜离子。

干湿循环与盐溶液作用下红黏土-膨润土混合土体变与渗透特性

针对红黏土-膨润土混合土材料在干湿循环作用及复杂化学环境下的性能演化问题,开展了盐溶液入渗作用下红黏土-膨润土混合土的干湿循环试验研究,分析了干湿循环次数、膨润土掺入比、盐溶液浓度对压实混合土材料体变特征与渗透特性的影响,并结合压汞试验揭示了试样收缩变形与渗透系数变化的微观机制。结果表明:随着干湿循环次数的增加,压实红黏土-膨润土混合土试样累计收缩变形逐渐增大,收缩趋势随入渗盐溶液浓度的增加而增大;干湿循环过程中试样渗透系数呈先增大后减少的趋势,且随着盐溶液浓度增加而逐渐降低;增大混合土中膨润土掺量可以提高试样化学相容性,减少胀缩变形并减小渗透系数。压汞试验表明,盐溶液入渗及干湿循环作用导致土体孔隙“双峰”分布特征减弱,土体中的大孔数量及孔径减小,小孔略有增多;随着入渗的盐溶液浓度增加,小孔变化不明显,而土体总孔隙率及大孔数量减小,进而导致土体收缩变形增大、渗透系数减小。

膨润土改性微囊藻基生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附性能

针对高毒性含铬废水处理难、水华藻类资源化利用率低等问题,本研究拟制备膨润土改性微囊藻基生物炭(BMC),使用扫描电镜、X射线衍射和比表面积分析等方法对使用膨润土改性前后的微囊藻基生物炭的属性进行表征,研究初始pH、生物炭投加量对改性前后微囊藻基生物炭吸附Cr(Ⅵ)效果的影响,并对吸附过程进行动力学和等温模型拟合。结果表明,膨润土改性后微囊藻基生物炭表面官能团和阳离子交换容量均大幅增加,改性前后微囊藻基生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附过程均符合准二级动力学模型和Langmuir等温模型;在pH=2、投加量为2 g/L的试验条件下,改性微囊藻基生物炭对Cr(Ⅵ)的饱和吸附容量达到10.87 mg/g,是改性前微囊藻基生物炭(MC)饱和吸附容量的3.94倍,微囊藻基生物炭改性后显著促进了对Cr(Ⅵ)的吸附;静电吸附和氧化还原作用是微囊藻基生物炭去除Cr(Ⅵ)的主要机制。本研究成果可为含铬废水处理提供新方法,并可为水华藻类的资源化利用提供新思路。

嗜酸铁还原菌JF-5改性镧膨润土吸附砷及其矿物颗粒迁移研究

利用嗜酸铁还原菌(Acidiphilium cryputum JF-5),通过生物还原技术释放膨润土中的Fe^(2+)以强化镧改性,从而得到一种新型生物镧改性膨润土。通过等温吸附实验考察生物镧改性膨润土对As(Ⅴ)的吸附效果,并与国际上商用的锁磷剂(Phoslock)进行对比,通过柱实验探讨生物镧改性膨润土在石英砂柱中的迁移行为。结果表明:(1)JF-5能够强化膨润土还原释放Fe^(2+),从而加强La^(3+)负载,低固液比(1.6 g/L)下制备生物镧改性膨润土具有最高的La^(3+)负载量(370 mg/g)。(2)生物镧改性膨润土对As(Ⅴ)的吸附行为符合Freundlich模型,最大吸附量为7.58 mg/g,与Phoslock的最大吸附量(3.08 mg/g)相比大幅提高;对As(Ⅴ)的吸附动力学过程与Phoslock相似,均能在4 h内快速去除As(Ⅴ)。(3)生物镧改性膨润土在石英砂柱中的迁移行为可以用对流扩散模型描述,在0.38、0.77、1.54 mL/min的流速下,生物镧改性膨润土在石英砂柱中的滞留量分别为3.68、3.77、2.29 mg,可见中等流速条件下溶液在石英柱中能够更充分接触介质从而提高滞留量。

膨润土在助留助滤体系中加入顺序的探讨

为达到CPAM/膨润土助留助滤体系最佳的使用效果,对CPAM/膨润土助留助滤体系中膨润土的加入顺序进行了实验室小试,在所有添加条件不变的情况下,先加CPAM再加膨润土时留着率和滤水效果明显好于先加膨润土再加CPAM,根据小试结果对大生产中膨润土的加入点进行了调整,取得了较好的效果。

膨润土同步提纯钠化研究及在球团中应用

基于某企业生产的低品质钙基膨润土,采用多重钠化工艺进行提质改性,系统研究了多重钠化剂种类及用量对膨润土性能指标和收得指标的影响。结果表明,在钠化剂Na2CO3用量为2.0%时,钠化土的收得率为83.55%,其膨胀指数、吸水率和吸蓝量分别由原土的5.0 mL/g、119%/(2 h)和26.9 g/(100 g)提升到22 mL/g、377.1%/(2 h)和39.6 g/(100 g),达到一级钠化土指标。采用多重钠化改性工艺可以显著提升膨润土指标,钠化剂配比为2.0%Na6P6O18和2.0%Na2CO3时,双重钠化土的膨胀指数为77 mL/g,吸水率为631.8%/(2 h),吸蓝量为39.1 g/(100 g),收得率为61.29%。造球实验中添加量为1.8%时,生球落下强度由原土的3.0次/(0.5 m)分别提高至一次钠化土的4.6次/(0.5 m)和双重钠化土的8.6次/(0.5 m)。

酒精湿化法调配压实膨润土缓冲回填材料含水率研究

压实膨润土砌块在我国高放射性废物处置中发挥着缓冲回填工程屏障的作用。然而,膨润土材料塑性极强,水分极易拌和不均,易导致压实砌块干缩开裂,显著降低了砌块质量。提出一种采用酒精代替纯水来湿化膨润土的新方法,以提高压实膨润土质量。对比喷水法,酒精湿化法中酒精浓度设计在5%~35%间。通过分析膨润土与酒精混合物的混合效率、黏附质量损失率、混合物中团聚体的含量、压实样干缩前后强度、干缩裂纹规律、干燥效率、膨胀性等指标综合评价酒精湿化压实膨润土样的适用性。试验结果表明:在相同含液率情况下,随酒精浓度增大,所得膨润土样的混合效率明显提高,黏附质量损失率及团聚体含量明显降低;压实样内团聚体与干缩裂纹及试样质量间具有较好对应关系。此外,酒精湿化法所得压实样在压实方向密度分布更均匀,干缩裂纹数量及宽度明显变小,风干试样剪切强度及膨胀性均与加纯水试样较为接近,压实样均匀性与完整性明显提高。新方法及相关成果可供我国高放废物缓冲回填砌块制备参考。

膨润土对沙地土壤改良与朝天椒农艺性状及产量的影响

探索膨润土对沙地土壤性质及结构、朝天椒农艺性状及产量的影响,为膨润土用于沙地土壤改良应用提供理论依据。于2023年在内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗巴拉贡镇山湾村开展膨润土治理沙化耕地大田试验,试验按膨润土施量共设置6组处理,分别为:0(CK)、15.0 t/hm^(2)(A1)、22.5 t/hm^(2)(A2)、30.0 t/hm^(2)(A3)、37.5 t/hm^(2)(A4)、45.0 t/hm^(2)(A5),研究不同膨润土施量对土壤理化性质及结构和朝天椒农艺性状及产量的影响。结果表明:与对照相比,施用膨润土能够显著改善土壤性质、有效调整土壤结构。膨润土的施用提高了朝天椒生育期内土壤含水量、总孔隙度、CO_(2)通量、WR>0.25 mm含量、pH和电导率;降低了生育期内土壤容重,协调了生育期内土壤三相比例,改善土壤固液气结构。在生育期内膨润土施量与土壤总孔隙度呈极显著正相关,与土壤容重呈极显著负相关。施用膨润土有效促进了朝天椒的生长发育,显著提高朝天椒产量。以A3处理朝天椒产量最高,较对照增产61.2%。膨润土作为土壤改良剂能够有效改善土壤性质,调整土壤结构,提高土壤持水能力和朝天椒产量。综合不同施量对土壤指标及朝天椒产量的影响,研究认为30.0 t/hm^(2)为该试验区2023年适宜施量。

蔗渣纤维素-海藻酸钙-膨润土多孔微球的制备及其对罗丹明B吸附性能的研究

以蔗渣纤维素、海藻酸钠为三维网络框架,膨润土为吸附功能单元,采用金属离子交联法联合物理包载法制备蔗渣纤维素-海藻酸钙-膨润土多孔微球,研究其对罗丹明B吸附性能,探究其吸附机理。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和热重(TG)等表征手段分别对多孔微球形貌、晶相和热稳定性进行表征。结果表明:在固液比2g/L,染料溶液pH=3,体积为25mL,初始浓度为400mg/L,吸附温度为318K,吸附360min后,吸附量高达87.14mg/g。多孔微球吸附罗丹明B过程符合准二级动力学模型,罗丹明B在多孔微球吸附遵循Langmuir等温线吸附模型。吸附罗丹明B前后,多孔微球为类球形,具有一定孔隙结构;多孔微球中膨润土晶型结构无明显改变,且具有一定热稳定性。