模擬降雨對鈾在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化影響研究

姚逸暉，陳井影*，吳瀛灝，張 蔚

(1.東華理工大學省部共建核資源與環(huán)境國家重點實驗室，330013，南昌;2.東華理工大學水資源與環(huán)境工程學院，330013，南昌)

0 引言

隨著核能的發(fā)展，重要的核燃料鈾也被大量開采，鈾污染問題日益嚴重。土壤作為最基本和最重要的生態(tài)系統(tǒng)的一個組成部分，也受到嚴重污染[1]。進行土柱鈾動態(tài)遷移實驗，可以總結(jié)出放射性核素鈾的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，更準確地預測和評價鈾在生態(tài)環(huán)境中的遷移和轉(zhuǎn)化。既可以為放射性廢物的釋放提供了有效的環(huán)境評估，還為各種放射性廢物處置場的設計與安全評價提供重要的理論基礎[2－4]。國內(nèi)外一些學者對鈾在土壤中遷移已有研究[5－11]。本文選取鈾尾礦庫下游農(nóng)田土壤，采用土柱淋濾實驗模擬降雨作用下鈾在土壤中的遷移和形態(tài)轉(zhuǎn)化。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與預處理

采集鈾尾礦庫下游的農(nóng)田土壤，先進行風干處理，去除石礫、植物根莖等雜物，再研磨土壤并過100目篩備用。測得土壤樣品的pH為4.63，總鈾為9.52 mg/kg。

1.2 實驗裝置

本實驗裝置如圖1為內(nèi)徑40 mm，高450 mm，設置有9個取土樣孔的有機玻璃管，共5根。實驗裝置上下兩端裝填約2 cm厚的石英砂層(粒徑1.0～2.0 mm)，作為過濾層;中間部分裝填土樣約400 mm。

采樣區(qū)年降水量約1 773 mm，故設計每天50 mL、100 mL、150 mL淋濾量淋濾14 d模擬實際4個月、8個月、12個月降雨對土壤中鈾的影響。本文研究土壤中不同形態(tài)鈾的遷移轉(zhuǎn)化與淋濾量、淋濾液pH的關系，共設計5個土柱。1、2、3號柱分別用pH5.6的清水以每天50 mL、100 mL、150 mL淋濾;4、5號柱分別用pH4.0、pH7.0的清水以每天150 mL淋濾。土柱土壤用純水潤濕后借助蠕動泵控制淋濾速度。

圖1 實驗裝置示意圖

1.3 測定方法

土樣總鈾的測定采用激光熒光法:土壤樣品用硝酸、氫氟酸和高氯酸消解，鈾以鈾酰離子的形式存在于溶液中。在pH為7～9時與熒光試劑絡合物在氮分子激光器的脈沖激光(337.1 nm)激發(fā)下，發(fā)射綠色熒光，其強度與樣品溶液中的鈾濃度成比例[12]。鈾含量通過標準加入法來確定。

鈾的各相態(tài)提取方法采用由Tessier五步提取法基礎上修改的逐級化學提取法[13]。

1.4 儀器與試劑

主要儀器:蠕動泵(BT100－2J);純水機(Smart－Q30);恒溫水浴鍋(HH－6);微量鈾分析儀(WGJ－III);消解爐(KDNX－20)等。

主要試劑:硝酸;氫氟酸;高氯酸;乙酸;鹽酸羥胺等。

2 結(jié)果與討論

2.1 淋濾量對各土層總鈾的影響

由圖2可知，在不同土層深度中總鈾積累也存在差異。淋濾量為50 mL/d的土柱鈾含量整體上都偏高于其它淋濾量土柱，即50 mL/d最高，100 mL/d的次之，150 mL/d的最低;在土層深度200 mm以上的深度時，3種淋濾量對土層中總鈾積累的影響具有相同趨勢;而在土層深度達250 mm以下時，淋濾量100 mL/d、150 mL/d的土柱總鈾濃度的波動具有相同趨勢，土層中鈾含量降低。這表明淋濾量越大(即降雨越多)，土壤鈾含量越低，鈾遷移出土柱;淋濾量50 mL/d時，土層深度250 mm以下的土層鈾含量上升。這是由于鈾的遷移速度較慢，在土層深處累積。

圖2 各土層總鈾含量隨淋濾量變化趨勢

2.2 淋濾液pH對各土層總鈾的影響

如圖3所示，隨著土層深度的增加，總鈾濃度均出現(xiàn)較大波動，但整體上總鈾濃度隨著淋濾液pH降低而降低。其中淋濾液pH4.0土柱的鈾濃度最高點在3根土柱中土層深度最大的地方，即遷移的距離最遠，說明淋濾液pH值越小，淋濾的效果越好(即酸雨會促進鈾往土壤下層遷移)?？赡茉谒嵝詶l件下鈾多以游離態(tài)(UO22+)的形式存在，而酸性淋濾液中含有較多的H+離子，H+與UO22+競爭土壤上有限的負電位活性位點，從而抑制UO22+與土壤表面負電位點位的結(jié)合，使鈾在該柱里更易發(fā)生遷移，故遷移的距離最遠。在土柱335 mm處，鈾濃度出現(xiàn)升高，可能是淋濾液在土柱下端的流速較為緩慢，UO22+與土壤中的OH－、HCO3－、CO2等更易形成[(UO2)2CO3(OH)3]－等鈾酰絡合物并隨著淋濾液流動后在該處發(fā)生沉淀，導致該處鈾的濃度出現(xiàn)升高跡象。

圖3 各土層總鈾含量隨淋濾液pH變化趨勢

2.3 淋濾量對土壤各形態(tài)鈾遷移轉(zhuǎn)化的影響

如圖4所示，隨著淋濾量的增加，可交換態(tài)(水溶態(tài))、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和有機質(zhì)結(jié)合態(tài)鈾明顯減少;無定型鐵錳氧化物/氫氧化物結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)鈾有所增加;晶質(zhì)鐵錳氧化物/氫氧化物結(jié)合態(tài)鈾保持穩(wěn)定的含量。這是由于可交換態(tài)(水溶態(tài))和碳酸鹽態(tài)鈾易于在土壤中遷移，是活性鈾;且有一定量的可交換態(tài)(水溶態(tài))和碳酸鹽態(tài)鈾轉(zhuǎn)化成為無定型鐵錳氧化物/氫氧化物結(jié)合態(tài)及殘渣態(tài)鈾。其中可交換態(tài)(水溶態(tài))與碳酸鹽結(jié)合態(tài)鈾隨淋濾量的增加而不斷減少，說明可交換態(tài)(水溶態(tài))與碳酸鹽結(jié)合態(tài)鈾很容易被淋濾液淋洗出來，且淋濾量越大，可交換態(tài)(水溶態(tài))鈾與碳酸鹽結(jié)合態(tài)鈾遷移的速度越快。即降雨量對可交換態(tài)(水溶態(tài))鈾與碳酸鹽結(jié)合態(tài)鈾的影響最大。

圖4 不同淋濾量對土樣鈾形態(tài)分布影響百分比圖

2.4 淋濾液pH對土壤各形態(tài)鈾遷移轉(zhuǎn)化的影響

由圖5可知，不同pH淋濾液淋濾后，可交換態(tài)(水溶態(tài))鈾和碳酸鹽結(jié)合態(tài)鈾隨淋濾液pH上升含量增加，說明淋濾液pH能有效影響可交換態(tài)(水溶態(tài))和碳酸鹽結(jié)合態(tài)鈾的遷移，且隨著pH的增大，可交換態(tài)(水溶態(tài))與碳酸鹽結(jié)合態(tài)鈾向其它形態(tài)鈾遷移的能力越弱。無定型鐵錳氧化物/氫氧化物結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)鈾隨著淋濾液pH的上升而減少，與可交換態(tài)(水溶態(tài))鈾和碳酸鹽結(jié)合態(tài)鈾相反，說明酸雨會促進可交換態(tài)(水溶態(tài))鈾和碳酸鹽結(jié)合態(tài)鈾向無定型鐵錳氧化物/氫氧化物結(jié)合態(tài)鈾和殘渣態(tài)鈾轉(zhuǎn)化。

圖5 不同pH淋濾液對土樣鈾形態(tài)分布影響百分比圖

3 結(jié)論

1)經(jīng)不同淋濾量淋濾后土壤總鈾濃度隨著土層深度的增大均出現(xiàn)不同的波動，總體上淋濾量越大，土壤上層中鈾含量越低。即降雨量越大土壤中鈾越容易向下遷移。

2)經(jīng)不同pH淋濾液淋濾后土壤總鈾濃度隨著土層深度的增大出現(xiàn)較大的波動，但總體上總鈾濃度隨著淋濾液pH降低而降低。即酸雨會促進土壤中鈾的遷移。

3)經(jīng)不同淋濾量淋濾后，土壤可交換態(tài)(水溶態(tài))、碳酸鹽結(jié)合態(tài)及有機質(zhì)結(jié)合態(tài)鈾隨著淋濾量的增大而減少;而無定型鐵錳氧化物/氫氧化物結(jié)合態(tài)及殘渣態(tài)鈾隨著淋濾量的增大而上升，晶質(zhì)鐵錳氧化物/氫氧化物結(jié)合態(tài)鈾不變。即降雨量越大土壤活性鈾越容易轉(zhuǎn)化為非活性鈾。

4)經(jīng)不同pH淋濾液淋濾后，土壤可交換態(tài)(水溶態(tài))與碳酸鹽結(jié)合態(tài)鈾含量隨淋濾液pH的降低逐漸減少;有機質(zhì)結(jié)合態(tài)鈾、無定型鐵錳氧化物/氫氧化物結(jié)合態(tài)鈾，晶質(zhì)鐵錳氧化物/氫氧化物結(jié)合態(tài)鈾含量較穩(wěn)定;殘渣態(tài)鈾隨淋濾液pH的降低逐漸升高，與可交換態(tài)(水溶態(tài))鈾與碳酸鹽結(jié)合態(tài)變化相反，說明酸雨會促使土壤中活性鈾轉(zhuǎn)化為非活性鈾。