伊利石对铀和钍吸附机理的研究

伊利石对铀和钍吸附机理的研究

伊利石晶体颗粒粒度为纳米级别，具有多型结构和层内结构缺陷，表面结构复杂，从而具有比表面积大和表面活性位点多的特性，这就决定了它可以作为一种良好的纳米吸附剂。铀和钍是两种重要的核燃料，在生产和研究中用途极广，主要衰变类型为α衰变，伴随的α射线会对人体机能产生危害，所以本实验选择以铀和钍作吸附质进行伊利石吸附行为和吸附性能的研究，主要手段是通过对环境pH、离子强度、温度和吸附质初始浓度的控制变量来判断它们对伊利石吸附铀和钍行为的影响，使吸附条件最优化。然后用不同的吸附速率方程、固-气吸附等温模型和热力学参数进行实验数据拟合，计算饱和吸附量，从而推断相应的固-液吸附机理。

1.1 引言

1942年底科学家费米等启动了世界上第一座核反应堆，第一次实现了受控链式裂变核反应，标志着人类进入了核能时代；1945年世界上第一颗原子弹试爆成功，标志着人类进入了核武器时代；1954年世界上第一座核电站建成，它的投入使用标志着人类核电时代的到来，也意味着核能的和平利用成为现实。“何以道核，化剑为犁”，多年来，从核武到核电，从战争的初衷到和平的希冀，核科学大力迈进，已经发展成了一门由基础科学、技术科学和工程科学组成的综合性极强的尖端学科。作为化学的分支学科和核科学的基础学科，放射化学拥有更悠久的历史，加之其独特的研究方法和目的，使其在核科学的发展中扮演着极其重要的角色。

随着一种种核动力装置的研制和一次次理化实验的进行，核燃料的生产和回收、裂变产物的分离、放射性元素的分析等放射化学工作也得到巨大发展。核能的利用自然而然伴随着放射性核废物的处理和处置，其中放射性核素的处理处置对放射化学工作来说是一个巨大的挑战和机遇。

铀因其是核燃料中最基本、最重要的元素这一重要地位而闻名于世，其核素235U是唯一天然存在的易裂变核素，238U可通过核反应（铀-钚循环）转变再生为另一种易裂变核素239Pu，233U是较235U和239Pu更优越的易裂变核素。钍是一种潜在核燃料，其核素232Th可以通过核反应（钍-铀循环）转变再生为233U，以辐射防护观点来看，233U比239Pu毒性小，因此钍-铀循环比铀-钚循环更安全和环保，更具有长期效益。铀和钍的这些特点注定了它们用途的广泛性和科学研究的重要

性，它们蕴藏的价值无可估量。

铀和钍的天然放射性核素的衰变类型多是α衰变，α射线与物质相互作用的主要方式是电离和激发，也会发生弹性散射:当作用于人体后会引起细胞分子、原子电离，继而破坏人体组织大分子结构（称作辐照损伤，辐照损伤会产生远期效应、躯体效应和遗传效应）；当作用于环境时是不同于其他物理性环境污染的，不易感知，会产生积累效应，其危害是持续性和长时性的。

而在生产和研究过程中，这两种放射性元素用途广泛，因此对他们的回收处置乃当务之急，目前可用于处理加工和矿冶其废水的方法有吸附法、萃取法、反渗透法、混凝沉淀法、蒸发浓缩法，其中吸附法极其有效可靠，去除率高，是常用的方法之一。[1]

对于放射性核素的危害性，大自然自身具有一定的清洁能力，这种能力通过土壤、生物等作用而体现，土壤中的粘土矿物因其具有吸附性、过滤性和离子交换性作为大自然产生自清洁能力的重要介质。这一自我洁净方式给我们的科学研究提供了启发——选择黏土类矿物做吸附剂。

1.2伊利石

伊利石是1937年在美国伊利诺伊州卡尔霍恩市的马科基塔页岩中发现的，是二八面体粘土矿物，它的晶体属于单斜晶系，晶体结构与2:1型云母非常相似，是由顶氧相对的两个四面体层夹一个八面体层形成的三层型单元层结构，在单元层结构中，上、下相对的两个四面体层的四面体离子对与中间的八面体层的八面体离子对形成短棒状的离子链，在单元层结构之间（即层间域）还有分子键的存在连接两个单元结构，其具体结构如图1.1所示。

图1.1 伊利石晶体结构

伊利石晶体颗粒为纳米级别，层间电荷严重亏损，从其一维晶格像中可以观察到具平直堆垛和弯曲堆垛层结构的伊利石晶体,还有由于位错形成的如席状编织结构的伊利石晶体，其中具有弯曲堆垛层结构的伊利石晶体的一维晶格像如图1.2所示；其二维晶格像显示晶格条纹宽度相同，交角不同，沿[100]晶面形成的二维晶格条纹相互垂直, 而沿[110]晶面形成的二维晶格条纹相互斜交。 [2]

图1.2 具有弯曲堆垛层结构的伊利石晶体的一维晶格像

伊利石是地表最常见的矿物之一，与蒙脱石、绿泥石和高岭石构成含黏土的沉积岩中最主要的四种矿物。伊利石富钾、高铝、低铁，虽然相对于云母来说含有大量水，但其层间以K+为主，并不具有膨胀性，也无可塑性；较云母含有更

多的Si4+、Mg2+，更少的Al3+、和层间K+。它的晶体颗粒细小，结构缺陷复杂，因而宏观呈现光滑、明亮、细腻等优越的化学、物理性能，并且层间具有阳离子交换能力，同样也因为这种微观结构加大了其晶体结构研究的困难，相对其他矿物来说研究很不透彻，有很多的问题亟待解决。

纯的伊利石黏土呈白色﹐但常因杂质而染成黄﹑绿﹑褐等色，本实验所用伊利石化学组成如表1.1所示，由于Fe2O3的含量较高而呈土黄色。

表1.1伊利石化学组成（质量分数%）

1.3课题来源、目的、意义及研究内容

目前，关于固体自溶液中吸附的文献甚至比气相吸附的还多，但对于它的认识却远不如对气相吸附的，现阶段的研究工作主要集中在与实际需要的具体材料的吸附形态和相互作用上，偏重于吸附材料的应用，对于吸附机理的研究也只是以静态批示的方式做浅层次的条件择优，没有对吸附前后的详实变化进行深入探究，也没有提出一个满意的一般理论模型。许多气相吸附的理论公式推广至液相吸附缺乏真正的理论依据，但可以在一定程度上对液相吸附的结果加以整理和解释。

因为微观结构的特性，伊利石具有合适而良好的层间结构和表面结构，是优质的吸附剂，由于铀和钍在水溶液化学形态不同，伊利石对它们的吸附行为也不相同。本实验选择以铀和钍作为吸附质进行伊利石吸附行为和吸附性能的研究，主要手段是通过对环境pH、离子强度、温度和吸附质初始浓度的控制变量来判断它们对伊利石吸附铀和钍行为的影响。然后用不同的吸附速率方程、固-气吸附等温模型和热力学参数进行拟合，加深直观印象，从而推断相应的固-液吸附机理和建立吸附模型。

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