2023年伊利石對鈾和釷吸附機(jī)理的研究

第伊利石對鈾和釷吸附機(jī)理的研究

伊利石對鈾和釷吸附機(jī)理的研究

伊利石晶體顆粒粒度為納米級別，具有多型結(jié)構(gòu)和層內(nèi)結(jié)構(gòu)缺陷，表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從而具有比表面積大和表面活性位點多的特性，這就決定了它可以作為一種良好的納米吸附劑。鈾和釷是兩種重要的核燃料，在生產(chǎn)和研究中用途極廣，主要衰變類型為α衰變，伴隨的α射線會對人體機(jī)能產(chǎn)生危害，所以本實驗選擇以鈾和釷作吸附質(zhì)進(jìn)行伊利石吸附行為和吸附性能的研究，主要手段是通過對環(huán)境pH、離子強(qiáng)度、溫度和吸附質(zhì)初始濃度的控制變量來判斷它們對伊利石吸附鈾和釷行為的影響，使吸附條件最優(yōu)化。然后用不同的吸附速率方程、固-氣吸附等溫模型和熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)擬合，計算飽和吸附量，從而推斷相應(yīng)的固-液吸附機(jī)理。

1.1引言

1942年底科學(xué)家費米等啟動了世界上第一座核反應(yīng)堆，第一次實現(xiàn)了受控鏈?zhǔn)搅炎兒朔磻?yīng)，標(biāo)志著人類進(jìn)入了核能時代；1945年世界上第一顆原子彈試爆成功，標(biāo)志著人類進(jìn)入了核武器時代；1954年世界上第一座核電站建成，它的投入使用標(biāo)志著人類核電時代的到來，也意味著核能的和平利用成為現(xiàn)實?！昂我缘篮耍瘎槔纭?，多年來，從核武到核電，從戰(zhàn)爭的初衷到和平的希冀，核科學(xué)大力邁進(jìn)，已經(jīng)發(fā)展成了一門由基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)和工程科學(xué)組成的綜合性極強(qiáng)的尖端學(xué)科。作為化學(xué)的分支學(xué)科和核科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，放射化學(xué)擁有更悠久的歷史，加之其獨特的研究方法和目的，使其在核科學(xué)的發(fā)展中扮演著極其重要的角色。

隨著一種種核動力裝置的研制和一次次理化實驗的進(jìn)行，核燃料的生產(chǎn)和回收、裂變產(chǎn)物的分離、放射性元素的分析等放射化學(xué)工作也得到巨大發(fā)展。核能的利用自然而然伴隨著放射性核廢物的處理和處置，其中放射性核素的處理處置對放射化學(xué)工作來說是一個巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

鈾因其是核燃料中最基本、最重要的元素這一重要地位而聞名于世，其核素235U是唯一天然存在的易裂變核素，238U可通過核反應(yīng)（鈾-钚循環(huán)）轉(zhuǎn)變再生為另一種易裂變核素239Pu，233U是較235U和239Pu更優(yōu)越的易裂變核素。釷是一種潛在核燃料，其核素232Th可以通過核反應(yīng)（釷-鈾循環(huán)）轉(zhuǎn)變再生為233U，以輻射防護(hù)觀點來看，233U比239Pu毒性小，因此釷-鈾循環(huán)比鈾-钚循環(huán)更安全和環(huán)保，更具有長期效益。鈾和釷的這些特點注定了它們用途的廣泛性和科學(xué)研究的重要

性，它們蘊藏的價值無可估量。

鈾和釷的天然放射性核素的衰變類型多是α衰變，α射線與物質(zhì)相互作用的主要方式是電離和激發(fā)，也會發(fā)生彈性散射:當(dāng)作用于人體后會引起細(xì)胞分子、原子電離，繼而破壞人體組織大分子結(jié)構(gòu)（稱作輻照損傷，輻照損傷會產(chǎn)生遠(yuǎn)期效應(yīng)、軀體效應(yīng)和遺傳效應(yīng)）；當(dāng)作用于環(huán)境時是不同于其他物理性環(huán)境污染的，不易感知，會產(chǎn)生積累效應(yīng)，其危害是持續(xù)性和長時性的。

而在生產(chǎn)和研究過程中，這兩種放射性元素用途廣泛，因此對他們的回收處置乃當(dāng)務(wù)之急，目前可用于處理加工和礦冶其廢水的方法有吸附法、萃取法、反滲透法、混凝沉淀法、蒸發(fā)濃縮法，其中吸附法極其有效可靠，去除率高，是常用的方法之一。[1]

對于放射性核素的危害性，大自然自身具有一定的清潔能力，這種能力通過土壤、生物等作用而體現(xiàn)，土壤中的粘土礦物因其具有吸附性、過濾性和離子交換性作為大自然產(chǎn)生自清潔能力的重要介質(zhì)。這一自我潔凈方式給我們的科學(xué)研究提供了啟發(fā)——選擇黏土類礦物做吸附劑。

1.2伊利石

伊利石是1937年在美國伊利諾伊州卡爾霍恩市的馬科基塔頁巖中發(fā)現(xiàn)的，是二八面體粘土礦物，它的晶體屬于單斜晶系，晶體結(jié)構(gòu)與2:1型云母非常相似，是由頂氧相對的兩個四面體層夾一個八面體層形成的三層型單元層結(jié)構(gòu)，在單元層結(jié)構(gòu)中，上、下相對的兩個四面體層的四面體離子對與中間的八面體層的八面體離子對形成短棒狀的離子鏈，在單元層結(jié)構(gòu)之間（即層間域）還有分子鍵的存在連接兩個單元結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。

圖1.1伊利石晶體結(jié)構(gòu)

伊利石晶體顆粒為納米級別，層間電荷嚴(yán)重虧損，從其一維晶格像中可以觀察到具平直堆垛和彎曲堆垛層結(jié)構(gòu)的伊利石晶體,還有由于位錯形成的如席狀編織結(jié)構(gòu)的伊利石晶體，其中具有彎曲堆垛層結(jié)構(gòu)的伊利石晶體的一維晶格像如圖1.2所示；其二維晶格像顯示晶格條紋寬度相同，交角不同，沿[100]晶面形成的二維晶格條紋相互垂直,而沿[110]晶面形成的二維晶格條紋相互斜交。[2]

圖1.2具有彎曲堆垛層結(jié)構(gòu)的伊利石晶體的一維晶格像

伊利石是地表最常見的礦物之一，與蒙脫石、綠泥石和高嶺石構(gòu)成含黏土的沉積巖中最主要的四種礦物。伊利石富鉀、高鋁、低鐵，雖然相對于云母來說含有大量水，但其層間以K+為主，并不具有膨脹性，也無可塑性；較云母含有更

多的Si4+、Mg2+，更少的Al3+、和層間K+。它的晶體顆粒細(xì)小，結(jié)構(gòu)缺陷復(fù)雜，因而宏觀呈現(xiàn)光滑、明亮、細(xì)膩等優(yōu)越的化學(xué)、物理性能，并且層間具有陽離子交換能力，同樣也因為這種微觀結(jié)構(gòu)加大了其晶體結(jié)構(gòu)研究的困難，相對其他礦物來說研究很不透徹，有很多的問題亟待解決。

純的伊利石黏土呈白色﹐但常因雜質(zhì)而染成黃﹑綠﹑褐等色，本實驗所用伊利石化學(xué)組成如表1.1所示，由于Fe2O3的含量較高而呈土黃色。

表1.1伊利石化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

1.3課題來源、目的、意義及研究內(nèi)容

目前，關(guān)于固體自溶液中吸附的文獻(xiàn)甚至比氣相吸附的還多，但對于它的認(rèn)識卻遠(yuǎn)不如對氣相吸附的，現(xiàn)階段的研究工作主要集中在與實際需要的具體材料的吸附形態(tài)和相互作用上，偏重于吸附材料的應(yīng)用，對于吸附機(jī)理的研究也只是以靜態(tài)批示的方式做淺層次的條件擇優(yōu)，沒有對吸附前后的詳實變化進(jìn)行深入探究，也沒有提出一個滿意的一般理論模型。許多氣相吸附的理論公式推廣至液相吸附缺乏真正的理論依據(jù)，但可以在一定程度上對液相吸附的結(jié)果加以整理和解釋。

因為微觀結(jié)構(gòu)的特性，伊利石具有合適而良好的層間結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)，是優(yōu)質(zhì)的吸附劑，由于鈾和釷在水溶液化學(xué)形態(tài)不同，伊利石對它們的吸附行為也不相同。本實驗選擇以鈾和釷作為