回归自然:人造岩石固化核素的思考与进展

核工业生产、核能开发、核武器研制等不可避免会产生放射性废物,高放废物是现存放射性废物中最难处理的废物之一。随着我国“积极发展核电”战略的实施,放射性废物的安全有效处理处置成为关系到我国核能可持续发展的关键问题。人造岩石固化体(SYNROC)弥补了玻璃固化体低化学耐久性和亚稳态性能的缺点。本文在综述人造岩石固化的概念、候选矿物固化体分类的基础上,重点介绍了SYNROC固化体快速合成方法、固核机理和长期稳定性评价等方面的最新研究进展。“道阻且长,行则将至”。最后,指出了SYNROC固化存在的不足,并针对今后应重点关注的研究方向与发展趋势提出了建议。

少根紫萍干粉对典型锕系核素的吸附分离研究

放射性污染的环境修复与治理是当前研究的热点和难点。考查了不同pH和基团屏蔽对少根紫萍干粉吸附典型长寿命锕系核素性能的影响和规律,结果发现,少根紫萍干粉对^(238)U、^(239)Pu、^(241)Am的吸附效果在pH分别为5、5、1时最佳。对含有^(239)Pu和^(241)Am的溶液分别进行了6批次和3批次吸附实验,结果发现:溶液中^(239)Pu放射性活度浓度可从6.78 MBq/L梯次递降至3.20×10^(3) Bq/L;溶液中^(241)Am放射性活度浓度可从1.29×10^(5) Bq/L梯次递降至2.00 Bq/L,接近GB 8978-1996《污水综合排放标准》中规定的∑α放射性活度浓度(1 Bq/L)的排放标准。经过化学修饰和红外光谱分析,发现少根紫萍干粉表面的羧基、氨基、酯基、磷酸基和羟基等活性基团对^(238)U、^(239)Pu和^(241)Am的吸附作用均有一定程度的贡献,机理是少根紫萍干粉首先通过静电将其离子吸引至细胞表面,然后通过离子交换及表面活性基团络合配位协同作用实现对放射性废液中锕系元素的高效吸附和分离。

YIG陶瓷对三价锕系模拟核素的固化行为研究

石榴石具有较大的锕系包容量及化学灵活性,被认为是潜在的锕系核素固化基材。本工作以Nd^(3+)模拟三价锕系核素,通过高温固相法成功合成了Y_(3–x)Nd_(x)Fe_(5)O_(12)(0≤x≤2)系列钇铁石榴石(YIG)固化体。研究了Nd在YIG固化体中的固溶极限和Nd掺杂量对固化体的物相和微观结构的影响规律,以及不同pH条件下Nd掺杂钇铁石榴石固化体的化学耐久性。研究结果表明,当x≤1.7时,YIG基固化体为纯相YIG;当x≥1.8时,YIG基固化体中YIG、NdFeO_(3)和Fe_(2)O_(3)三相共存。纯相YIG基固化体对Nd^(3+)的固溶极限约为29.5%(质量分数)。随着Nd掺杂量增加,固化体的密度增大,体积减小,孔隙率减小。浸出实验结果显示,28 d后元素归一化浸出率(LR_(i))逐渐趋于平衡,42 d后,其元素的LR_(i)为10^(-6)~10^(–5) g·m^(-2)·d^(–1)。LR_(Y)小于LR_(Nd),且酸性溶液中元素归一化浸出率也略高于中性和碱性溶液。这些结果表明,YIG陶瓷是理想的三价锕系核素候选固化基材。

状态方程靶的纳米胶连复合技术研究

为了模拟和解释材料在激光冲击产生的高应变率和压力下的实验现象,物理实验对状态方程实验靶多层材料之间的胶层厚度提出了亚微米级的需求。针对现有复合方法的不足,本文采用引发式化学气相沉积方法制备固体原胶薄膜,并采用液相活化方法对原胶薄膜进行活化和固化,实现了状态方程实验靶的亚微米级无损胶连复合。采用多种表征技术对纳米胶连复合样品的胶层厚度及形貌进行表征,胶层厚度为亚微米级,最薄时仅300 nm。本文所报道的纳米胶连复合方法能为激光加载压缩物理实验的精度提高和实验结果的准确解释提供制靶技术保障。

熔盐法低温合成掺钕ZrSiO_(4)陶瓷的物相演变和化学稳定性

相较于传统固相烧结方法,熔盐在较低的温度下提供了快速的传质和成核过程,可合成用于固化高放废物(HLW)的陶瓷固化体。本工作采用熔盐法(MSS)在不同烧结温度(1100、1200、1300、1400、1500℃)和不同烧结时间(3、6、9、12、15 h)下制备了掺Nd的锆石(ZrSiO_(4))陶瓷(Zr_(1-x)Nd_(x)SiO_(4-x/2)(0≤x≤0.1)),并采用静态浸出试验(PCT)研究掺Nd的ZrSiO_(4)陶瓷在模拟地质处置环境下的化学稳定性。在熔盐与氧化物最佳摩尔比为10:1、烧结温度为1200℃、烧结时间为6 h的较温和条件下,利用熔盐法成功合成了Zr_(1–x)Nd_(x)SiO_(4–x/2),可将Nd在ZrSiO_(4)中的固溶摩尔分数提高到8%,结果显示MSS法能够降低陶瓷合成温度,缩短合成时间,提高固溶量。ZrSiO_(4)陶瓷对三价锕系核素的固化机理为晶格固化。浸出实验结果显示,Nd的归一化浸出率(LRNd)低至~10–5 g·m^(–2)·d^(–1)。浸出前后ZrSiO_(4)陶瓷未发生物相演变,展现出较好的结构稳定性。浸出模型显示Nd浸出归因于陶瓷表面层发生溶解。研究结果表明,MSS法是一种高效的合成陶瓷固化体的手段。

烧结温度和钙含量对CaNdTiNbO_(7)型陶瓷固化体晶相结构的影响

萤石及其衍生结构陶瓷是高放废物固化的潜在基体材料,针对烧绿石型高放废物固化体CaNdTiNbO_(7)存在缺陷萤石相和钙钛矿杂相问题,设计了一系列温度与Ca含量效应实验,通过传统高温固相法在1000~1600℃下合成CaNdTiNbO_(7)固化体样品,并在1400℃合成Ca_(0.99)NdTiNbO_(6.99)和Ca_(0.9)NdTiNbO_(6.9)陶瓷,通过XRD和SEM-EDS研究烧结温度与钙含量对合成CaNdTiNbO_(7)型纯相烧绿石固化体的影响。结果表明:随着烧结温度增加,固化体次生萤石相发生227型缺陷萤石向215型缺陷萤石相再到烧绿石结构的转变,在1500℃以上合成近似单相的烧绿石样品,而不能去除钙钛矿杂相。降低Ca的含量可以实现钙钛矿杂相的去除,但会生成227型缺陷萤石而非215型缺陷萤石相。CaNdTiNbO_(7)型烧绿石固化体合成温度应不低于1500℃且应适当减少钙元素的含量。

胺化大麻纤维的制备及其对铀的高效提取研究

为改善复杂含铀废水中铀的提取效率,采用水热法制备了多胺基修饰的大麻纤维(HFA-G-T),通过批次吸附实验探究了纤维对铀的提取性能,结合吸附模型分析及谱学表征探讨了改性纤维对铀的提取作用机制。结果表明:大麻纤维胺化后,其对铀的吸附能力可达351.3 mg/g(pH=5),吸附过程满足准二级动力学模型和Langmuir吸附等温方程,吸附行为主要由单层化学吸附控制;谱学分析表明,HFA-G-T主要通过接枝的NH/NH_(2)中的N对铀表现出的高亲和力络合作用而实现对铀的高效提取;在模拟高盐含铀废水中,Na^(+),Mg^(2+)和Ca^(2+)阳离子以及Cl^(-),NO_(3)^(-)阴离子对HFA-G-T吸附铀基本无影响,表现出较好的抗离子干扰性能。基于胺化大麻纤维的高效提铀性能和抗阴阳离子干扰性能,有望用于复杂含铀废水的净化。

不同磷石膏添加量对玉米幼苗生长和镉积累的影响

[目的]探讨磷石膏资源化利用对玉米苗期生长发育的影响及可能引起的镉污染风险。[方法]采用盆栽试验,研究不同磷石膏添加量(0、5%、10%、20%、40%和80%)对玉米幼苗生长、叶片色素含量,以及对玉米幼苗镉积累的影响。[结果]与对照相比,不同磷石膏添加量处理可显著降低土壤pH,显著提高土壤电导率(P<0.05)。随着磷石膏添加量的增加,玉米幼苗的株高、叶面积、总叶绿素和类胡萝卜素含量均呈先升高后降低的趋势。磷石膏处理可显著抑制玉米幼苗根的生长,但对玉米幼苗茎的生长影响不显著。不同磷石膏添加量处理的玉米幼苗对镉的吸收均表现为地下部分大于地上部分;高磷石膏添加量处理(地上部分80%,地下部分20%~80%)可显著提高玉米幼苗地上和地下部分的镉含量。[结论]不超过10%的磷石膏添加量处理有利于玉米幼苗地上部分的生长和光合能力,且对幼苗镉积累影响不显著。

海水提铀吸附材料研究进展

在清洁能源中,核能将在全球范围内持续增长,特别是在中国、俄罗斯和其他一些国家。由于陆地铀资源非常有限,而海水中铀含量非常高,因此从海水中提取铀是全世界科研工作者的研究热点,也成为人类能源可持续发展的重要保证。然而,目前来看,海水提铀吸附材料仍然存在生物污染、吸附率低、竞争性金属离子共存、材料可重复使用率低等问题,导致相关技术难以推广应用。针对如何开发出成本低、吸附率高、选择性高、抗污染的海水提铀吸附材料,总结了近年来比较热门的相关研究,并进行探讨比较,对海水提铀中存在的问题和未来研究方向进行了总结和展望。

真空膜蒸馏技术的工艺条件优化及其在深度净化低放含铀废液中的应用

采用聚四氟乙烯(PTFE)中空纤维膜组件开展了真空式膜蒸馏(VMD)处理模拟及真实低放含铀废液试验。对膜组件运行参数进行了优化,考察了料液温度、流速及真空度对膜通量和截留效果的影响,并探讨了VMD过程中的温差极化效果,同时研究了VMD处理核燃料元件生产工艺低放含铀废液的可行性。结果表明:实验室工况条件下,温度为75℃,流速0.30m/s,真空度为-0.090MPa为较佳的工艺条件,此时膜通量为2.2L·m^-2·h^-1;针对模拟和真实废液,铀的截留率始终大于99.99%,剩余浓度小于1μg/L,出水铀浓度可一次性满足国家排放标准(GB 23727—2009)。说明VMD对于核燃料元件生产过程中产生的复杂体系低放废液具有高效的净化效果,可供核工业低放废液的深度净化参考。

g-C3N4光催化还原净化重金属离子的研究进展

随着社会的迅速发展,污染物的排放量也日益增多,严重破坏了生态环境。尤其是废水中的重金属离子,严重破坏了水生态环境,对水生动、植物以及人体健康都造成了极大损害。因此,处理废水中的重金属离子对保护水生态环境意义重大。目前,研究人员探索出许多净化废水中重金属离子的方法,包括物理修复法、化学治理法、生物治理法、膜分离法以及光催化法。其中,光催化是一种环境友好、节能的方法,其核心是光催化材料。类石墨相氮化碳(g-C 3N 4)因其良好的化学稳定性、热稳定性和光电性质,成为近年来研究最广泛的非金属光催化剂。但纯氮化碳存在比表面积小、禁带宽度较大、可见光反应范围小、光生电子空穴复合率较高等缺点,因此需对氮化碳进行改性,以提高其光催化活性。氮化碳的改性方法主要有形貌调控、掺杂改性、贵金属沉积、异质结法。本文重点归纳了改性氮化碳作为光催化剂光催化处理六价铀离子(U 6+)、六价铬离子(Cr 6+)、铜离子(Cu-EDTA)、汞单质(Hg 0)的研究现状,总结了氮化碳还原净化重金属离子的研究进展,以期为未来光催化研究提供参考。

新型铋基SiOCNF复合膜对放射性气态碘的吸附性能

放射性碘是典型的核裂变产物之一,吸附-分离-固化放射性碘(^(129)I、^(131)I等)对于核电运营、乏燃料后处理具有重要意义。本研究采用静电纺丝技术和热还原方法,以一种聚甲基倍半硅氧烷树脂(MK树脂)为原料,成功制备出一种新型铋基复合纳米纤维膜(Bi@SiOCNF)。该材料以SiOC纤维为基体,金属单质铋负载在SiOCNF表面与三维网络空间,对气体碘表现出良好的捕获与固定能力。吸附实验结果表明,该材料在2 h内可达到最大饱和吸附容量(515.2 mg/g)。XRD、XPS等测试结果表明,铋基SiOCNF复合纳米纤维膜通过化学吸附与物理吸附机制共同吸附气态碘。热分析表明,Bi@SiOCNF具有良好的热稳定性。该材料在核电站、乏燃料后处理厂对放射性气态碘的捕获、固定和储存等方面具有潜在的应用前景。

金属有机骨架材料在锕系阳离子吸附应用中的构效关系

近年来,随着核能在我国的崛起和发展,开发简单、高效、应用性强的吸附材料用于锕系阳离子的吸附分离变得愈加迫切.金属有机框架材料(metal-organic frameworks,MOFs)由于其合成简单、结构可控、功能易调、孔隙率高、比表面积大等特点被认为在锕系阳离子吸附分离领域具有广阔的应用前景.本文从材料设计角度出发,综述了MOFs用于锕系阳离子吸附分离的最新研究进展,着重讨论了表面修饰、缺陷、功能复合、金属节点等对MOFs吸附性能的影响,以厘清MOFs材料在锕系阳离子吸附应用中的构效关系.最后,提出了目前MOFs用于锕系阳离子吸附分离存在的问题,并对未来的相关研究方向进行了展望.