Pu在板巖與粘土中的動態(tài)吸附模擬實驗研究

鄧曉穎 庹先國

（1.核工業(yè)地質(zhì)局 西藏地質(zhì)調(diào)查院，四川 成都 610016；2.西南科技大學，四川 綿陽 621010）

Pu 作為高放射性廢物中的一種典型的核素，一直是放射性核素遷移工作中研究的重點與難點[1]。放射性核素遷移的研究是地質(zhì)環(huán)境保護中最關心的問題，它主要研究放射性核素在工程屏障以及天然屏障中的吸附、遷移及擴散行為，可以為地下實驗室的建立和放射性廢物處置，提供重要依據(jù)和基礎實驗數(shù)據(jù)[2]。

本文采用動態(tài)試驗法-循環(huán)柱實驗來探討Pu 在板巖與粘土中的遷移。循環(huán)柱實驗是具有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法特性的一種實驗室研究核素遷移的方法[3-5]。利用該裝置可以直接測量液相和固相的放射性活度，從而計算吸附比，還可以研究核素在柱中遷移的分布狀態(tài)以及各種因素(如酸度、濃度、粒度、有機質(zhì)等)對核素遷移過程的影響。循環(huán)柱實驗方法是介于動態(tài)與靜態(tài)之間的一種值得探索的實驗裝置，實驗結果更接近現(xiàn)場實驗值。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

動態(tài)吸附法，關鍵是吸附分配系數(shù)Kd 值。吸附分配系數(shù)是固相中核素濃度與溶液中核素濃度之比，即[6]：

其中，Ca為固相中活度，cpm；Cb為液相中活度，cpm；V 為液相體積，ml；W 為吸附介質(zhì)質(zhì)量，g。實驗結束后，取出粘土（板巖）柱，放置數(shù)日，然后每1cm 則解體切割、稱重、測量。

1.2 實驗裝置及實驗方法

將實驗介質(zhì)粘土或板巖(60—120 目)填充在35mm×120mm 的有機玻璃柱中（玻璃注射器），吸附介質(zhì)的填充高度為100mm，裝置示意圖如圖1。

圖1 動態(tài)遷移實驗柱裝置Fig.1 Dynamic migration experimental column device

實驗方法：將裝好的土柱安裝在實驗柱中壓實，聯(lián)接所有管路接頭，放置24h，加入200ml 的地下水，在系統(tǒng)中循環(huán)檢漏。在確認無漏時，運行5 個小時待流量穩(wěn)定后，排出循環(huán)水，測量其體積。往實驗柱中一次性注入1ml 钚標液（600Bq/ml），開啟循環(huán)泵，調(diào)節(jié)流量計。每天取樣（24 小時取一次）監(jiān)測循環(huán)液的活度變化，直到分析數(shù)據(jù)基本不變?yōu)橹埂Ｋ畼訙y量用φ20mm 不銹鋼測量盤取0.5ml，紅外線紅線烘干后進行測量。本文板巖柱的流速為18ml/小時，土壤柱的流速為2.5ml/小時流。

1.3 儀器與試劑

Multi Low Level Counter(FHT 770T，Thermo)；LD4—2A 型離心機；紅外線干燥箱；艾柯實驗室超純化水機；回旋水浴恒溫振蕩器。

239Pu(NO3)4溶液(400 Bq/mL，中國工程物理研究院提供)；實驗用粘土與板巖均采自中國四川西南某地區(qū)，其化學成分見表1。

表1 巖石與土壤的主要化學成分（μg/g）Tab.1 The chemical composition of Rock and soil (μg/g)

2 結果與討論

2.1 時間對Pu 在粘土與板巖中吸附的影響

圖2 時間對钚在粘土與板巖中吸附的影響Fig.2 Effect of time on adsorption of Pu in rock and soil

從圖2 中可以看出，板巖與粘土的吸附分配系數(shù)Kd 值隨時間逐漸減小，但未達平衡。粘土的吸附分配比要遠大于板巖的吸附分配比，吸附分配比約是板巖中4 倍左右。這是因為板巖柱中水流速度快，循環(huán)次數(shù)多，而粘土柱液相流速慢，循環(huán)次數(shù)少，還未充分反應，且粘土礦物，利于吸附進行，因此，粘土中吸附分配系數(shù)要比板巖中大。

2.2 循環(huán)柱解體測量

從圖3 可以看出，粘土和板巖中同一深度核素分布趨勢基本相同，钚在粘土中數(shù)值要稍大于板巖中的含量，可能是由于板巖循環(huán)柱中水流速度比板巖中快（板巖循環(huán)柱中水流速為粘土柱的7 倍），板巖柱中循環(huán)次數(shù)多。由此可以看出，流量變化是影響核素遷移的主要因素之一，在循環(huán)柱試驗中要求流速穩(wěn)定。但實際上只能達到相對穩(wěn)定。究其原因，一是柱體結構在長時間對流中有所變化，同時控制流速過程中，認為因素干擾較大。

圖3 钚在循環(huán)柱中的深度核素分布圖Fig.3 Depth of nuclide distribution of Pu in circular column

表2 循環(huán)柱器壁吸附綜合實驗結果Tab.2 Column wall adsorption cycle comprehensive experimental results

2.3 循環(huán)柱器壁對Pu 吸附的影響

循環(huán)柱實驗，發(fā)現(xiàn)液相活度隨器壁吸附變化而變化。表2 可以看出，當器壁吸附占注入量的74% 時，液相中Pu 核素殘留為11%；當器壁吸附占34%時，液相中Pu 核素殘留為56%。結果表明，當忽略吸附介質(zhì)的吸附時，吸附主要與器壁吸附的大小有關。器壁吸附越小，液相活度越高。因此，對循環(huán)柱而言，器壁吸附使吸附分配系數(shù)Kd 增大，從而表明器壁吸附對Pu 在板巖與粘土吸附比的影響在循環(huán)柱實驗中是很大的，以后實驗要對容器進行篩選，以降低容器器壁吸附對實驗結果的影響。

3 結論

循環(huán)柱實驗過程無須液固相分離，是直接測量固相及液相活度，計算其吸附分配比的簡便易行的實驗方法。

3.1 循環(huán)柱實驗雖然都未達到吸附平衡，但在粘土中分配系數(shù)遠遠大于巖石中分配系數(shù)，約是板巖中2 倍左右。主要因為粘土中含多種礦物成分，所以吸附性較強。板巖的吸附比小于粘土的吸附比，是因為板巖中無粘土成分。

3.2 玻璃容器的器壁吸附十分顯著，在吸附實驗中有需要對容器材料進行篩選，以降低容器壁的吸附量，使得實驗結果更準確。

3.3 粘土和板巖中同一深度核素分布趨勢基本相同，且钚在粘土中數(shù)值要稍大于板巖中的含量，可能是由于板巖循環(huán)柱中水流速度比板巖中快（板巖循環(huán)柱中水流速為粘土柱的7 倍），板巖柱中循環(huán)次數(shù)多。因此，流量變化是影響核素遷移的主要因素之一。

［1］章英杰，范顯華.Pu 在地質(zhì)環(huán)境中化學行為的研究進展[J].核化學與放射化學，2006，28(4):193-206.

［2］李書紳，等.237Np、238Pu、241Am 和90Sr 近地表遷移行為及含超鈾核素中低放廢物處置安全評價方法研究[J].核科學與工程，2005(4):330-346.

［3］Sabodina M N，Kalmykov S N，Sapozhnikov Y A，et al.Neptunium，plutonium and 137Cs sorption by bentonite clays and their speciation in pore waters[J].Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry.2006，270，(2):349-355.

［4］李書紳，王志明，王金生，等.60Co，85Sr 和134Cs 在非飽和黃土中遷移特征研究[J].環(huán)境科學學報，2002，22(5):614-619.

［5］楊月娥，江洪，姜凌.90Sr、237Np、238Pu 和241Am 在水平土柱中遷移的實驗場示蹤研究[J].同位素，2003，16(2):65-69.

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