花岗岩风化物中铀的动力学吸附及其模拟应用研究

放射性废物的处置关系到核工业的可持续发展和环境安全，目前已成为国际社会关注的热点问题之一。依托我国华南低中放废物处置场调查项目，采用动力学吸附实验、吸附等温线实验和土柱实验相结合的实验方法，开展了铀在花岗岩风化物中的动力学吸附和解吸规律及场地尺度模拟应用研究。结果表明，花岗岩风化物对铀具有较强的吸附作用，铀在花岗岩风化物中的吸附/解吸是个动力学过程，吸附区域可分为平衡吸附和动力学吸附两类，前者主要发生在风化形成的粘土矿物表面，后者则主要受花岗岩晶内吸附点控制；强风化花岗岩对铀的总体吸附能力大于全风化花岗岩，表明强风化花岗岩中残留的某些矿物比全风化花岗岩风化物的粘土矿物具有更强的吸附能力；另一方面，由于风化过程逐步打开了花岗岩的内部表面积，因此全风化花岗岩中产生平衡吸附的能力大于强风化花岗岩。花岗岩风化物对铀的阻滞能力主要由其产生平衡吸附的能力控制，因此全风化花岗岩对铀的阻滞能力大于强风化花岗岩。采用表面络合模型，可以正确模拟铀的多组分反应性运移过程。结合实验结果，模拟计算得铀的表面络合反应常数log K = 26.5，全风化、强风化花岗岩风化物的吸附点浓度分别为6×10-7 mol/g和8.5×10-7 mol/g，动态参数分别为：全风化花岗岩µ = -3.26、σ = 2.84，强风化花岗岩µ = -3.82、σ = 2.76。土柱实验实测和模拟计算结果均表明，铀的分配系数是不断变化的，这一结论在铯的吸附类比研究中得到了进一步的印证。最后，不同核素场地尺度、大周期的模拟应用技术研究结果表明，在设计处置单元分布情况下，场平条件极大地降低了核素运移导致的污染风险。对流作用控制了保守型核素的运移，而弱吸附性核素和强吸附性核素的运移则主要受控于吸附作用；相对灵敏度分析结果表明模型的灵敏度具有核素和参数的双重独立性，并且对某些参数的敏感度随时间的不同而发生变化。上述研究结果表明在进行核素运移模型校正和预测时应对不同核素和参数区别对待，从而达到正确模拟的目的。本课题研究可为放射性废物处置场地的安全性评价提供理论依据和技术支撑，同时可为其它核素的反应性运移研究提供有效借鉴。 2100433B

放射性废物的处置关系到核工业的可持续发展和环境安全，目前已成为国际社会关注的热点问题之一。在各类核素中，核素铀由于其典型性和复杂性而成为国际研究的前沿和热点；另一方面，花岗岩则以其低渗透性和分布的广泛性而成为放射性废物处置的重要介质之一。基于此，依托我国华南低中放废物处置场项目，采用动力学吸附实验、吸附等温线实验和土柱实验相结合的实验方法，开展铀在花岗岩风化物中的动力学吸附和解吸规律研究，以从地球化学反应层面揭示铀的运移过程，并研究流速、粒度等对铀的吸附和运移过程的影响；然后通过考虑耦合的水动力和多组分反应运移理论，采用数学建模的方法量化研究铀的运移过程和吸附机理，模拟分析铀在固液相间分布系数的变化规律及其影响机制，并研究将反应性运移理论和室内实验结果应用到野外场地模拟的方法。本课题研究可为放射性废物处置场地的安全性评价提供理论依据和技术支撑，同时可为其它核素的反应性运移研究提供有效借鉴。

（1）吸附剂的选择原则

工业吸附剂应具备一些要求：

① 吸附能力强，吸附容量大。吸附容量是指在一定的温度、吸附质浓度下，单位质量（或单位体积）吸附剂所能吸附的最大量。吸附量大，可降低处理单位流体所需的吸附剂用量。

② 具有大的比表面积和孔隙率。气体吸附剂的比表面积一般在(500～3000)m/g之间，吸附剂的有效表面积包括颗粒的外表面积和内表面积。而内表面积总比外表面积大得多，只有具有高度疏松结构和巨大暴露表面积的孔性物质，才能提供如此巨大的比表面积。

③ 具有良好的选择性。尤其针对混合气体，选择性是选择吸附剂的首选条件之一。

④ 机械强度、化学稳定性、热稳定性等性能良好，使用寿命长。吸附剂是在温度、湿度、压力等操作条件变化的情况下工作的，这就要求吸附剂有良好的机械强度和稳定性。尤其是采用流化床吸附装置，吸附剂的磨损大，对机械强度的要求更高，否则将破坏吸附的正常操作。

⑤ 颗粒均匀。如果颗粒太小不均匀，易造成短路和流速分布不均，引起气流返混，降低吸附分离效率；若颗粒太小，床层阻力过大，严重时会将吸附剂带出器外。

⑥ 再生容易。吸附剂在吸附后需再生重用，不间断地进行吸附与再生操作，再生活性稳定。

⑦ 价格低廉易得。

（2）吸附剂

① 活性炭

制取活性炭的原料有木材、泥煤、果核、椰壳、骨、血等。制取活性炭最常用的方法是将原料在缺少空气的高温条件下干馏，制得粗炭，然后再进行活化处理将堵塞孔隙的干馏物质除去，一般采用烧除法。

活性炭可按需要制成不同形状和粒度，如粉末活性炭、颗粒状活性炭及柱状活性炭。活性炭是应用非常广泛的吸附剂，它常常被用来吸附净化尾气中的有机蒸气、恶臭物质和某些有毒有害气体。

② 硅胶

硅胶是粒状无晶形氧化硅，它是用硅酸钠(水玻璃)与硫酸、或盐酸或酸性酸溶液反应生成硅酸凝胶(SiO₂·nH₂O)，然后在115～130℃条件下烘干、破碎、筛分而取成各种粒度的产品。

硅胶的特点是具有很好的亲水性，硅胶最大吸水量可达本身质量的50%。因此，硅胶主要用来处理含湿量高的气体，进行干燥脱水。但硅胶吸附水分后就降低了对其他气体的吸附能力。硅胶大量用于气体的干燥和烃类气体回收。

③ 活性氧化铝

活性氧化铝是部分水化的、多孔的、无定形的氧化铝，它是以氢氧化铝作原料，经过焙烧、成型而制取的。活性氧化铝具有优先吸附水分的特性，因此主要用作气体的干燥剂。它对有些无机物具有较好的吸附作用，故常用于石油气的脱硫以及含氟废气的净化。

④ 沸石分子筛(简称分子筛)

分子筛是一种人工合成的沸石，具有许多直径均匀的微孔和排列整齐的孔穴．是具有多孔骨架结构的硅铝酸盐结晶体。

（3）吸附剂再生

在吸附床层操作接近于破点时，就认为吸附床层已失去活性不能再用，必须进行再生。吸附剂再生常用的方法如表9—6所示。

表9—6吸附剂再生方法