有氧条件下结构亚铁介导的铀在生物云母中的滞留机制研究

为解决高放射性废物处置场中铀迁移风险问题，兰州大学团队通过光谱技术揭示了生物云母（biotite）中结构亚铁（Fe(II)）在铀（U(VI)）吸附与还原中的核心作用。研究发现，生物云母通过表面络合和氧化还原反应将可溶性U(VI)还原为UO2或超化学计量铀氧化物（U3O8/U4O9），且亚铁含量与电子转移量呈线性关系。该成果为花岗岩地质屏障设计及铀污染修复提供了分子级理论依据。

　　

铀作为核工业的关键元素，其环境行为直接关系到高放射性废物处置的安全性。在花岗岩地质屏障中，铀的迁移性备受关注，而生物云母（biotite）因其富含亚铁（Fe(II)）的特性，被认为可能通过氧化还原作用固定铀。然而，现有研究对生物云母在富氧条件下能否有效还原铀存在争议，且缺乏对亚铁作用的定量分析。这一科学盲区可能影响核废料处置库的选址评估和污染修复策略的制定。

兰州大学的研究团队在《Applied Clay Science》发表论文，通过系统实验揭示了生物云母中结构亚铁对铀滞留的分子机制。研究采用批次吸附实验结合X射线光电子能谱（XPS）、透射电镜（TEM）等技术，定量分析了四种不同铁含量生物云母对U(VI)的吸附与还原能力。

材料与方法
研究选用中国北山花岗岩区的生物云母样本，通过调节pH（4.2-6.6）和U(VI)初始浓度（10-200 mg/L）模拟不同环境条件。利用X射线吸收光谱（XAS）鉴定铀的化学形态，结合傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析表面官能团变化，并通过电子能量损失谱（EELS）测定亚铁与铀的电子转移量。

Effects of pH and U(VI) concentration
实验显示，当pH超过生物云母的零电荷点（pH 6.6）时，U(VI)吸附量显著增加。在pH 4.2-6.6范围内，U(VI)以UO₂²⁺和UO₂OH⁺形态存在，与生物云母表面的≡FeOH基团发生络合。

Conclusion
研究发现，生物云母中结构亚铁（占铁总量的50%）通过电子转移将U(VI)还原为U(IV)或U(V)，形成UO₂和超化学计量铀氧化物（U₃O₈）。亚铁含量每增加1 wt%，电子转移量提升15%，且厌氧条件下还原效率提高30%。这一机制解释了生物云母在花岗岩中优于石英/长石的铀滞留能力。

该研究首次定量建立了生物云母亚铁含量与铀还原能力的线性关系，为高放射性废物处置库的矿物筛选提供了理论依据。同时，发现的有氧条件下铀还原现象挑战了传统认知，暗示即使在地表富氧环境中，含铁矿物仍可能通过局部微环境实现铀固定。这些发现对铀污染场地的原位修复技术开发具有重要指导意义。