氧基磷灰石玻璃陶瓷固化模擬錒系鈰/釹的研究

余宏福 羅 靜 李 靜 霍冀川 張行泉 朱永昌

(1. 西南科技大學(xué)環(huán)境友好能源材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川綿陽(yáng) 621010； 2. 西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010； 3. 西南科技大學(xué)分析測(cè)試中心 四川綿陽(yáng) 621010； 4. 中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司 北京 100024)

高放射廢液(HLW)中的錒系核素(Np，Pu，Am，Cm)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有極大的危害，嚴(yán)重限制了我國(guó)核工業(yè)的高速持續(xù)發(fā)展[1]。HLW中的錒系、鑭系和貴金屬(Pd，Ru)在玻璃相中的溶解度有限，即使在低固溶量下也將導(dǎo)致相分離或結(jié)晶。硼硅酸鹽玻璃在早期就被選擇作為固定堿金屬(Cs，Sr)、鑭系元素(Ln)和過渡金屬等裂變產(chǎn)物廢料的材料[2]。

目前，硼硅酸鹽玻璃陶瓷被認(rèn)為是可用于固定HLW的替代品。以化學(xué)耐用的結(jié)晶陶瓷相為目標(biāo)核素承載體的玻璃陶瓷，為增加廢物的包容量和提高其穩(wěn)定性提供了更多選擇。常見的結(jié)晶陶瓷相有鈣鈦鋯石、鉬酸鈣、硅酸鹽氧基磷灰石(A,AE)2RE8(SiO4)6O2(A為堿金屬，AE為堿土金屬，RE為稀土元素)、燒綠石、銫榴石等[3]。根據(jù)匹配的價(jià)態(tài)與相近的離子半徑，通常Ce4+(rPu4+=0.096 nm，rNp4+=0.098 nm，rCe4+=0.097 nm)和Nd3+(rNd3+=0.098 nm，rAm3+=0.098 nm，rCm3+=0.097 nm)被認(rèn)為是四價(jià)錒系Pu4+/Np4+和三價(jià)錒系A(chǔ)m3+/Cm3+的優(yōu)秀模擬離子[4-6]。Zhu[7]等用CeO2模擬替代錒系元素，發(fā)現(xiàn)固化質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% CeO2的硼硅酸鹽玻璃在750 ℃ 退火3 h容易析出CeO2相。Bardez等[8]通過兩步熱處理(第一步成核在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度+20 ℃，2 h，第二步析晶在870 ℃，30 h)研究組分為51.0SiO2-8.5B2O3-12.2Na2O-4.3Al2O3-4.8CaO-3.2ZrO2-16.0Nd2O3(ω/%)的基礎(chǔ)玻璃，在樣品表面區(qū)域極少量不均勻的Nd-氧基磷灰石會(huì)被析出。放射性裂變產(chǎn)物中往往同時(shí)存在三價(jià)和四價(jià)錒系核素，因此，本研究加入定量CeO2模擬四價(jià)錒系，并探究三價(jià)模擬錒系Nd2O3的摻量對(duì)鈰的包容量與氧基磷灰石析晶行為的影響。

在本實(shí)驗(yàn)中，通過以鈰釹作為放射性錒系模擬元素，調(diào)整玻璃的化學(xué)組成和控制熱處理方式，將模擬錒系包容到設(shè)定的(A,AE)2RE8(SiO4)6O2穩(wěn)定晶相中，制備化學(xué)穩(wěn)定性良好的鈰釹-氧基磷灰石硼硅酸鹽玻璃陶瓷。結(jié)合XRD表征玻璃陶瓷的析晶相與SEM分析晶粒大小及微觀形貌，用FT-IR說明玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)及基團(tuán)演變，最后用PCT方法證實(shí)氧基磷灰石玻璃陶瓷固化體的化學(xué)穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料與設(shè)備

原材料：CeO2(AR，99.9%，aladdin?)；Nd2O3(AR，99%，aladdin?)。由中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司制備基礎(chǔ)玻璃珠G，基礎(chǔ)玻璃珠組成見表1。

表1 基礎(chǔ)玻璃珠組成Table 1 Composition of basic glass bead

設(shè)備：高溫馬弗爐(MF-1 700 ℃，安徽貝意克設(shè)備技術(shù)有限公司)；行星式球磨機(jī)(QM-3SP2，南京南大儀器有限公司)；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(101-1AS，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司)。

1.2 合成氧基磷灰石玻璃陶瓷固化體

采用破碎機(jī)和瑪瑙球磨機(jī)將基礎(chǔ)玻璃珠G粉碎成玻璃粉體。稱取27.4 g 玻璃粉體與3.0 g 四價(jià)錒系模擬劑氧化鈰，并與質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，5.0%，10.0%，15.0%，20.0%和25.0%的三價(jià)錒系模擬劑氧化釹均勻混合。根據(jù)Nd2O3的質(zhì)量比，設(shè)計(jì)樣品標(biāo)記為CNX(X=0，5，10，15，20，25，即CN0，CN5，CN10，CN15，CN20，CN25)。采用熔融-析晶法制備玻璃陶瓷固化體：將粉體放置在剛玉坩堝中，在空氣氣氛中以10 ℃/min的升溫速率加熱至1 300 ℃，保溫熔融3 h，隨后900 ℃保溫析晶2 h，隨爐緩慢冷卻到室溫。

1.3 樣品測(cè)試表征

用X射線衍射儀(XRD，X' Pert PRO，PANalytical，荷蘭)分析玻璃陶瓷粉體的潛在晶相；用掃描電子顯微鏡(SEM，Ultra55，ZEISS Company，德國(guó))背散射模式觀測(cè)玻璃陶瓷塊體斷面的晶粒形貌、大小和顯微分布；用阿基米德排水法測(cè)量玻璃陶瓷塊體樣品的體積密度；用KBr壓片法測(cè)試波數(shù)為400～1 800 cm-1范圍內(nèi)的紅外吸收光譜(FT-IR，Spectrum One，PerkinElmer，美國(guó))；浸出液的元素Si，Ca，Ce，Nd濃度采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP，icp6500，ThermofiShher scientific，英國(guó))分析。

1.4 化學(xué)穩(wěn)定性

采用ASTM產(chǎn)品一致性測(cè)試(PCT)方法[9-10]對(duì)粒徑在100至200目之間的1 g粉末樣品，在10 mL去離子水中進(jìn)行浸出化學(xué)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。取液時(shí)間為1，3，7，14，28 d，采用ICP分析浸出液元素Si，Ca，Ce，Nd的濃度。元素i的歸一化浸出速率(LRi，g·m-2·d-1)可表示為：

式中：Ci為溶液中i元素的濃度(g·L-1)；V為浸出液的體積(L)；fi為樣品中i元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；t為浸泡時(shí)間(d)；S為樣品的表面積(m2)。在本工作中，1 g樣品的表面積(S)為5.4×10-2m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 固化體XRD分析

圖1顯示了基礎(chǔ)玻璃G和CNX玻璃陶瓷樣品的XRD圖譜。添加了四價(jià)模擬核素鈰但沒添加三價(jià)模擬核素釹的硼硅酸鹽玻璃CN0樣品經(jīng)過析晶熱處理后，很容易析出CeO2(JCPDS 78-0694)晶相。CN10樣品的XRD特征衍射峰與氧基磷灰石Ca2Nd8(SiO4)6O2(JCPDS 78-1127)相匹配，而CN15，CN20，CN25樣品的CeO2峰減弱直至消失，說明氧化釹加入一定量時(shí)可以增大鈰的包容量并能抑制鈰以CeO2析出。隨著Nd含量的增加，氧基磷灰石的峰逐漸變強(qiáng)，從放大圖可以看出，衍射峰(211)和晶面(112)向高角度偏移，利用布拉格方程分析，則晶體的晶格常數(shù)減小，說明Nd的增加會(huì)促進(jìn)較小離子半徑的離子進(jìn)入釹-氧基磷灰石(六方晶系，空間群為P6J3/m)，說明可能存在Ce(rCe3+=0.114 nm,rCe4+=0.097 nm)進(jìn)入氧基磷灰石硅氧四面體[SiO4]結(jié)構(gòu)間隙的Nd位(7配位或9配位)[11-13]。XRD圖譜結(jié)果表明氧化釹的增加不僅能抑制氧化鈰的析出，還能促使釹-氧基磷灰石形成。

圖1 G和CNX玻璃陶瓷樣品的XRD圖Fig. 1 XRD patterns of the G and the CNX glass ceramic samples

2.2 固化體微觀形貌分析

固化鈰釹-氧基磷灰石玻璃陶瓷試樣斷面的SEM背散射圖像如圖2所示。所有樣品的玻璃-晶體間沒有明顯間隙，玻璃-氧基磷灰石界面沒有明顯變化，表明樣品非常致密無(wú)氣孔，這與體積密度結(jié)果一致。含質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% CeO2且不含Nd2O3的CN0樣品，在玻璃基體中析出均勻的CeO2晶粒。按質(zhì)量百分比梯度增加Nd2O3的樣品CN5和CN10出現(xiàn)了少量真空管狀氧基磷灰石，樣品CN5含有較多六邊形氧化鈰，而氧基磷灰石卻極少，分布十分彌散，從樣品CN5到CN10可以看出玻璃中有更多中空管狀晶體析出，這對(duì)應(yīng)圖1中鈰釹-氧基磷灰石衍射峰增強(qiáng)。樣品CN15晶體為長(zhǎng)度約80 μm的均勻枝晶，可能是由于晶體在玻璃中排列存在擇優(yōu)取向。用氫氟酸腐蝕1 min后樣品CN20的EDX圖如圖3所示，較小離子半徑的Ce4+部分替換氧基磷灰石的Nd3+位形成鈰釹-氧基磷灰石，說明部分鈰和釹被有效固化在氧基磷灰石陶瓷相中，與XRD分析一致。樣品CN20表現(xiàn)出均勻一致的由多根六棱柱聚集的底邊長(zhǎng)約為40 μm的六棱柱晶體鑲嵌在玻璃中。隨著Nd2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到25%，晶體團(tuán)聚程度增加，聚集的六棱柱底邊長(zhǎng)變?yōu)榧s10 μm[14]。結(jié)合SEM和EDX分析，CN15為氧基磷灰石枝晶，CN25的六棱柱晶體的橫截面面積比CN20小，這可歸因于隨著釹摻雜量的增加，抑制了晶體生長(zhǎng)[15]。

圖2 CNX玻璃陶瓷樣品的SEM圖Fig. 2 SEM images of the CNX glass ceramic samples

圖3 CN20玻璃陶瓷樣品的EDX圖Fig. 3 EDX images of the CN20 glass ceramic samples

2.3 固化體密度與紅外光譜分析

摻雜模擬核素鈰釹玻璃陶瓷固化體的體積密度圖如圖4所示。隨著氧化釹的含量增加，固化體密度逐漸增加，這可歸因于氧化釹具有高的密度(7.24 g·cm-3)。固化體在400～1 800 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的紅外光譜圖如圖5所示。觀察到8個(gè)相對(duì)尖銳的吸收峰，可以得出玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)中的基團(tuán)種類及振動(dòng)模式。位于1 636 cm-1附近的峰是樣品中水分子的振動(dòng)吸收峰。在465 cm-1出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或氧基磷灰石[SiO4]四面體的 Si-O-Si 振動(dòng)峰[16]，CN0，CN5樣品在500 cm-1無(wú)O-Si-O彎曲振動(dòng)峰，隨著Nd摻量的增加，發(fā)現(xiàn)CN10，CN15，CN20，CN25樣品在500 cm-1的振動(dòng)峰增強(qiáng)，證實(shí)氧基磷灰石[SiO4]四面體的存在[17]，這與XRD結(jié)果一致。隨著Nd的增加，CN10，CN15，CN20，CN25的玻璃陶瓷逐漸在553 cm-1左右出現(xiàn)[BO3]向[BO4]四面體轉(zhuǎn)變的振動(dòng)吸收峰，在709 cm-1的峰歸因于[BO3]基團(tuán)中B-O-B的彎曲振動(dòng)吸收峰[18]。CN10，CN15，CN20，CN25樣品中，在881 cm-1附近的極弱峰來(lái)自于[BO4]結(jié)構(gòu)的B-O拉伸振動(dòng)[19]，可能是由于除了進(jìn)入氧基磷灰石中的釹外，部分Nd2O3作為玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)修飾體，提供游離[O]與部分[BO3]結(jié)合形成[BO4][20]；在983 cm-1左右的峰是由于玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或氧基磷灰石相[SiO4]基團(tuán)Si-O 的不對(duì)稱拉伸造成的，在1 044 cm-1處的寬吸收峰歸因于玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或氧基磷灰石相的O-Si-O 伸縮振動(dòng)[21]；在1 276 cm-1左右的極弱吸收峰歸因于[BO3]基團(tuán)中B-O-B的伸縮振動(dòng)，而CN0，CN5，CN10樣品1 382 cm-1處極弱的峰歸因于氧化鈰的Ce-O-Ce伸縮振動(dòng)峰[22-23]，在1 425 cm-1左右的寬吸收峰歸屬于[BO3]中B-O-B的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰[24]。

圖4 CNX玻璃陶瓷樣品的體積密度圖Fig. 4 Volume density map of the CNX glass ceramic samples

圖5 G和CNX玻璃陶瓷樣品的紅外光譜圖Fig. 5 FT-IR spectrum of the G and the CNX glass ceramic samples

2.4 固化體化學(xué)穩(wěn)定性分析

圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)和圖6(d)分別對(duì)應(yīng)歸一化浸出速率LRSi，LRCa，LRNd和LRCe，隨著浸出時(shí)間的增加，LRi逐漸降低，前7 dLRSi/Ca迅速下降，而在3 d 后LRNd/Ce就保持穩(wěn)定。LRSi，LRCa和LRCe隨著釹含量的增加無(wú)明顯規(guī)律，而LRNd隨著釹含量的增加而降低，表明氧基磷灰石晶格中的Nd不易被浸出，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。玻璃陶瓷中LRSi保持在1.09×10-2～6.79×10-4g·m-2·d-1之內(nèi)，LRCa保持在 6.11×10-3～3.49×10-4g·m-2·d-1之內(nèi)， 而LRNd和LRCe分別保持在5.18×10-5～6.94×10-7g·m-2·d-1和 3.35×10-5～6.84×10-7g·m-2·d-1之間。28 d后，CN20氧基磷灰石硼硅酸鹽玻璃陶瓷的LRSi和LRCa分別為6.79×10-4g·m-2·d-1和3.49×10-4g·m-2·d-1，與SiO2/B2O3摩爾比為4的鈣鈦鋯硼硅酸鹽玻璃陶瓷的LRSi(4.47×10-4g·m-2·d-1)和LRCa(8.81×10-4g·m-2·d-1)屬于同一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且氧基磷灰石硼硅酸鹽玻璃陶瓷的LRNd比鈣鈦鋯硼硅酸鹽玻璃陶瓷的LRNd高一個(gè)數(shù)量級(jí)[25-26]。摻CeO2(≥7%)的鋁硼硅玻璃固化體將析出方鈰礦晶體，摻9%氧化鈰的鋁硼硅玻璃固化體的LRCe在4×10-6g·m-2·d-1左右，表明固化體的抗浸出性能優(yōu)異[27]，CN20氧基磷灰石硼硅酸鹽玻璃陶瓷樣品的LRCe為同一數(shù)量級(jí)的2.23×10-6g·m-2·d-1，進(jìn)一步證明了本實(shí)驗(yàn)玻璃陶瓷固化模擬核素具有良好的抗浸出性，高標(biāo)準(zhǔn)滿足中國(guó)核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求(<1 g·m-2·d-1)[28-29]，說明含氧基磷灰石的玻璃陶瓷固化三價(jià)及四價(jià)模擬核素具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。

圖6 CNX玻璃陶瓷樣品的元素歸一化浸出率圖Fig. 6 Normalized leaching rate of the CNX glass ceramic samples

3 結(jié)論

用熔融-析晶法制備了系列模擬錒系鈰釹玻璃陶瓷固化體，通過鈰模擬四價(jià)錒系，釹模擬三價(jià)錒系，添加釹可以抑制鈰以氧化鈰的形式析出，實(shí)現(xiàn)以穩(wěn)定的鈰釹-氧基磷灰石玻璃陶瓷固化鈰釹。固化氧化釹質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%時(shí)，出現(xiàn)[BO3]部分轉(zhuǎn)變?yōu)閇BO4]的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；裝載模擬廢物固化體的鈰釹氧基磷灰石都均勻緊密鑲嵌在玻璃基體中。所有鈰釹玻璃陶瓷固化體的LRNd/Ce都保持在10-5～10-7g·m-2·d-1數(shù)量級(jí)，表明固化體具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。