磷酸鹽對(duì)Se（Ⅳ）在高廟子膨潤土中擴(kuò)散的影響

伍 濤，李清梅，2，王 海，3，劉 思，馮文蕭，李金英

1．浙江省湖州師范學(xué)院 生命科學(xué)院，浙江 湖州 313000；2．東華理工大學(xué) 土木與環(huán)境學(xué)院，江西 撫州 344000；3．西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049；4．華潤新能源控股有限公司，北京 100005

長壽命的裂片核素79Se（6．5×104a）是高放廢物地質(zhì)處置庫安全評(píng)價(jià)中重點(diǎn)關(guān)注的核素之一。在高放廢物地質(zhì)處置庫近場環(huán)境及在花崗巖地下水系統(tǒng)中，79Se在水溶液中的陰離子主要以和的形式存在［1］。作為回填材料的膨潤土表面呈電負(fù)性，由于陰離子排斥效應(yīng)，使得它們?cè)谂驖櫷林袛U(kuò)散速率非?？欤浔碛^擴(kuò)散系數(shù)（Da）為10-12～10-11m2／s［2-3］。溫 瑞 媛等［4-5］測得在花崗巖和石灰?guī)r中的表觀擴(kuò)散系數(shù)為10-13m2／s。它們的擴(kuò)散行為對(duì)高放廢物地質(zhì)處置庫的安全評(píng)價(jià)具有重要意義。與125I-、36Cl-和99放射性陰離子相比，79Se（Ⅳ）可以吸附在粘土礦物中，如在壓實(shí)膨潤土中的吸附分配系數(shù)為（1．4～1．8）×10-4m3／kg［3］，在凝灰?guī)r中的吸附分配系數(shù)為10-4～10-3m3／kg［6］。當(dāng)pH＜7時(shí)，Se（Ⅳ）與膨潤土表面的鋁醇基通過配體交換，吸附在膨潤土表面［7］；而當(dāng)pH＞7，Kunigel-V1膨潤土中的微量鐵礦物對(duì)Se（Ⅳ）的吸附起著主要作用［8］。延伸X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）測量結(jié)果表明，Se（Ⅳ）在蒙脫石中的吸附以雙基雙核的內(nèi)層絡(luò)合為主導(dǎo)，在鋁硅酸鹽礦物中，主要形成了外層絡(luò)合物和雙基雙核的內(nèi)層絡(luò)合物的混合物［9］。然而，無機(jī)陰離子的存在會(huì)降低Se（Ⅳ）在粘土／巖石材料［10］和含鐵礦物中的吸附［11-14］，如硅酸鹽和碳酸鹽能降低Se（Ⅳ）在磁鐵礦中的吸附［15］，硅酸和大量硫酸鹽能降低Se（Ⅳ）在磁鐵礦和赤鐵礦中的吸附［10-12］。

磷酸鹽玻璃固化體具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、輻照穩(wěn)定性以及高的錒系元素固化能力，能夠很好地滿足高放廢物地質(zhì)處置要求，是理想的高放廢液的固化劑［16-18］。因此處置庫環(huán)境中將存在大量的磷酸鹽，由于競爭效應(yīng)磷酸鹽陰離子有可能會(huì)影響Se（Ⅳ）的遷移行為。然而磷酸鹽對(duì)Se（Ⅳ）擴(kuò)散行為的影響卻鮮有報(bào)道。因此本工作擬采用貫穿擴(kuò)散法，研究磷酸鹽對(duì)Se（Ⅳ）在高廟子膨潤土中擴(kuò)散行為的影響，測得有效擴(kuò)散系數(shù)（De）和巖石容量因子（α），以期為評(píng)價(jià)79Se在高放廢物地質(zhì)處置庫中的回填材料中的遷移提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 設(shè)備和方法

所用化學(xué)試劑均為市售分析純。

Ismatec IPC-6蠕動(dòng)泵，瑞士ISMATEC公司；16Optima 2100DV電感耦合等離子體光譜儀（ICP-AES），美國PerkinElmer股份有限公司；PB-10pH計(jì)，德國賽多利斯科學(xué)儀器有限公司。

擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)裝置示意圖［19］示于圖1。該裝置由一個(gè)蠕動(dòng)泵、一個(gè)擴(kuò)散池（自制）、一個(gè)250mL高濃度儲(chǔ)液瓶和一個(gè)50mL的低濃度儲(chǔ)液瓶組成。將高廟子膨潤土（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院提供）壓成約φ2．5cm×1．0cm的圓柱體，兩塊多孔不銹鋼濾膜（φ2．5cm×0．5cm）夾住膨潤土樣品兩側(cè)放入擴(kuò)散池中。擴(kuò)散體系分別與0．001mol／L（pH＝9．1）和0．01mol／L（pH＝9．5）的Na2HPO4溶液、以及與0．05mol／L pH＝4．7的NaH2PO4溶液平衡5周后，稱量約1．1g的SeO2加入到250mL的磷酸鹽高濃度儲(chǔ)液瓶中，此時(shí)Se為Se（Ⅳ）。在蠕動(dòng)泵的帶動(dòng)下，Se（Ⅳ）穿透膨潤土到達(dá)低濃度儲(chǔ)液瓶中。每隔一段時(shí)間更換低濃度儲(chǔ)液瓶，Se（Ⅳ）的濃度用ICP-AES測量。

圖1 擴(kuò)散裝置示意圖［19］Fig．1 Schematic diagram of the through-diffusion set-up［19］

1．2 數(shù)據(jù)處理

Se（Ⅳ）在壓實(shí)膨潤土中的擴(kuò)散采用一維擴(kuò)散模型，根據(jù)Fick第二定律：：

式中：ρ，Se（Ⅳ）在水中的質(zhì)量濃度，μg／L；t，擴(kuò)散時(shí)間，s；De，有效擴(kuò)散系數(shù)，m2／s；x，擴(kuò)散距離，m。巖石容量因子（α）計(jì)算如下：

式中：ε為孔隙率；ρ為膨潤土壓實(shí)密度，kg／m3；Kd為吸附分配系數(shù)，m3／kg。

公式（1）滿足的起始和邊界條件為：

式中：ρ（0，t），Se（Ⅳ）在原液瓶中的質(zhì)量濃度，μg／L；ρ（L，t），Se（Ⅳ）在收集瓶中的質(zhì)量濃度，μg／L；L，膨潤土厚度，m。

公式（1）的解析表達(dá)式為：

式中：A，累計(jì)擴(kuò)散量，μg；J，擴(kuò)散通量，μg／（cm2·d）；S，擴(kuò)散面積，m2；ρ0，Se（Ⅳ）在原液瓶中的初始質(zhì)量濃度，μg／L。

采用公式（4）對(duì)Se（Ⅳ）的累計(jì)擴(kuò)散量隨擴(kuò)散時(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到有效擴(kuò)散系數(shù)和巖石容量因子。根據(jù)文獻(xiàn)［17］，采用Mathematica 6．0編寫程序，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并且計(jì)算得到相應(yīng)的擴(kuò)散參數(shù)。

2 結(jié)果和討論

2．1 累計(jì)擴(kuò)散量的變化

圖2 磷酸鹽濃度和pH值對(duì)Se（Ⅳ）在高廟子膨潤土中累計(jì)擴(kuò)散量的影響Fig．2 Effect of phosphate concentration and pH on the accumulated mass of Se（Ⅳ）in GMZ bentonite

遷移參數(shù)是高放廢物地質(zhì)處置安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)參數(shù)，包括有效／表觀擴(kuò)散系數(shù)、孔隙率（ε）、吸附分配系數(shù)、巖石容量因子等［20-21］。圖2為Se（Ⅳ）在高廟子膨潤土中累計(jì)擴(kuò)散量（A）的變化情況。由圖2可知：Se（Ⅳ）的累計(jì)擴(kuò)散量與擴(kuò)散時(shí)間呈現(xiàn)先緩慢增加，然后成線性關(guān)系。由公式（4）可知，穩(wěn)態(tài)條件下累積擴(kuò)散量可表示為：

即A（L，t）＝at＋b。其中斜率a＝Sρ0De／L，截距b＝-SLρ0α／6。累積擴(kuò)散量與擴(kuò)散時(shí)間的關(guān)系列入表1。由表1可知，0．001和0．01mol／L的Na2HPO4條件下，Se（Ⅳ）的累計(jì)擴(kuò)散量隨擴(kuò)散時(shí)間的變化不明顯，然而，NaH2PO4條件下的累計(jì)擴(kuò)散量明顯高于Na2HPO4下的。由此可以得出：磷酸鹽濃度對(duì)Se（Ⅳ）的擴(kuò)散行為影響不明顯。然而，NaH2PO4（pH＝4．7）條件下Se（Ⅳ）的累計(jì)擴(kuò)散量明顯增加。

表1 累積擴(kuò)散量與擴(kuò)散時(shí)間的關(guān)系Table 1 Relationship between cummulated mass and diffusion time

2．2 擴(kuò)散通量的變化

核素在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散分為兩個(gè)階段，分別是過渡態(tài)和穩(wěn)態(tài)。即核素的擴(kuò)散通量隨著擴(kuò)散時(shí)間呈現(xiàn)快速上升，并且累積擴(kuò)散總量隨著擴(kuò)散時(shí)間緩慢增加，此時(shí)為過渡態(tài)。當(dāng)核素到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，擴(kuò)散通量不隨擴(kuò)散時(shí)間的變化而變化，而累計(jì)擴(kuò)散總量與擴(kuò)散時(shí)間的變化呈線性關(guān)系。圖3為Se（Ⅳ）在高廟子膨潤土中擴(kuò)散通量（J）的變化情況。圖3中的點(diǎn)是通量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，曲線是將公式（4）擬合得到的有效擴(kuò)散系數(shù)和巖石容量因子代入到公式（5）計(jì)算得到的。由圖3可知：實(shí)驗(yàn)值和理論計(jì)算值吻合很好，從而驗(yàn)證了有效擴(kuò)散系數(shù)和巖石容量因子結(jié)果的可靠性；擴(kuò)散通量隨著擴(kuò)散時(shí)間先緩慢增加，該過程為過渡態(tài)，接著擴(kuò)散通量保持不變，該過程為穩(wěn)態(tài)。在堿性條件下（Na2HPO4），Se（Ⅳ）的擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)態(tài)約需要10d，而酸性條件下（NaH2PO4）達(dá)到穩(wěn)態(tài)則大約需要18d，并且擴(kuò)散通量的值為堿性條件下的2倍。

圖3 磷酸鹽濃度和pH值對(duì)Se（Ⅳ）在高廟子膨潤土中擴(kuò)散通量的影響Fig．3 Effect of phosphate concentration and pH on the flux of Se（Ⅳ）in GMZ bentonite

2．3 Se（Ⅳ）的種態(tài)變化

核素的擴(kuò)散行為和化學(xué)種態(tài)有關(guān)［22-23］。Se的化合價(jià)為-Ⅱ、0、Ⅳ和Ⅵ價(jià)，在水環(huán)境中主要為Ⅳ價(jià)，主要種態(tài)為和。采用Visual MINTEQ 3．0軟件分析了Se（Ⅳ）在磷酸鹽溶液中的種態(tài)分布，結(jié)果示于圖4。由圖4可知：它的主要種態(tài)為H2SeO3、和。當(dāng)pH＜3時(shí)，主要種態(tài)為H2SeO3；當(dāng)3＜pH＜8時(shí)，主要成分為；當(dāng)pH＞8時(shí)，主要成分為。因此，在Na2HPO4條件下（pH分別為9．1、9．5），Se主要以的種態(tài)在膨潤土中擴(kuò)散。在NaH2PO4條件下（pH＝4．7），Se主要以在膨潤土中擴(kuò)散。的擴(kuò)散與相比，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間更長，累計(jì)擴(kuò)散量更大。

圖4 Se（Ⅳ）在磷酸鹽溶液中的種態(tài)分布Fig．4 Relative species distribution of Se（Ⅳ）in phosphate solution

2．4 擴(kuò)散參數(shù)

Se（Ⅳ）在高廟子膨潤土中的擴(kuò)散參數(shù)列入表2。Se（Ⅳ）的有效擴(kuò)散系數(shù)約為（0．61～1．3）×10-11m2／s，巖石容量因子約為0．16～0．58。表觀擴(kuò)散系數(shù)（Da）由以下公式計(jì)算得到：

表2 Se（Ⅳ）在高廟子膨潤土中的擴(kuò)散參數(shù)Table 2 Diffusion parameters of Se（Ⅳ）in GMZ bentonite

3 結(jié) 論

采用貫穿擴(kuò)散法研究了磷酸鹽濃度和pH值對(duì)Se（Ⅳ）在高廟子膨潤土中擴(kuò)散行為的影響。獲得有效擴(kuò)散系數(shù)約為（0．61～1．3）×10-11m2／s，巖石容量因子約為0．16～0．58，表觀擴(kuò)散系數(shù)約為（2．3～3．9）×10-11m2／s，酸性條件下吸附分配系數(shù)為（8．9±0．6）×10-5m3／kg。Se（Ⅳ）的吸附和擴(kuò)散與所在體系及化學(xué)種態(tài)有關(guān)。在堿性條件下，不吸附在膨潤土表面；酸性條件下，與膨潤土表面的鋁醇基通過配體交換，吸附在膨潤土表面，復(fù)雜的孔隙水體系下的有效擴(kuò)散系數(shù)大于磷酸鹽體系下的。此外，磷酸鹽濃度對(duì)Se（Ⅳ）的擴(kuò)散行為影響不明顯。

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