关于回收城市垃圾灰烬以制备用于伽马辐射屏蔽应用的CeO?和Dy?O?增强硼硅酸盐玻璃的特性研究

《Radiation Physics and Chemistry》：Characteristic Study on Recycling Municipal Waste Ash to Develop CeO 2 and Dy 2O 3 Reinforced Borosilicate Glasses for Gamma Radiation Shielding Applications

市政固体废物灰烬制备硼硅酸盐玻璃的辐射屏蔽性能及稳定性研究，采用熔融淬火法制备含CeO?和/或Dy?O?的玻璃，经γ辐照（100 kGy）后结构稳定，化学性能持久，并通过实验与理论计算验证其优异的中子与γ射线屏蔽能力，混合掺杂玻璃屏蔽效率最优。

　　本研究聚焦于利用城市固体废弃物（MSW）灰烬作为原材料，制备掺杂氧化 cerium（CeO?）和/或氧化 dysprosium（Dy?O?）的硼硅酸盐玻璃，以实现高效的辐射屏蔽性能。通过熔融急冷技术（melting-quenching technique）制备了五种新型玻璃，并对其在100 kGy γ射线照射前后的结构、光学及光致发光（PL）特性进行了系统分析。同时，结合实验方法和理论计算，评估了这些玻璃在不同能量范围内的辐射屏蔽能力。研究结果表明，这些掺杂玻璃不仅具备优异的辐射屏蔽性能，还展现出良好的结构稳定性和化学耐久性，为可持续的辐射防护材料提供了新的可能性。

在当前社会背景下，城市固体废弃物的处理和放射性污染的防控已成为全球关注的两大重要议题。随着城市化进程的加快和居民生活水平的提升，MSW的产生量持续增长。据全球统计，每年产生的MSW约为20.1亿吨，预计到2050年将增至34亿吨（Kaza et al., 2018）。MSW的积累不仅带来环境压力，还可能因焚烧等处理方式产生有害的灰烬，其中含有多种金属元素，如硅、钠、钙、镁等，这些元素的存在使得MSW灰烬成为玻璃制造的潜在原料。然而，MSW灰烬的处理和利用仍面临诸多挑战，包括其物理化学性质的不确定性以及可能的环境风险。为了解决这些问题，研究者们尝试将MSW灰烬用于工业产品的制造，如辐射屏蔽玻璃，以实现资源的再利用和环境的可持续发展。

辐射屏蔽材料在现代科技和工业领域具有重要的应用价值。特别是在医学、核能、航空航天和科学研究中，对辐射的防护需求日益增加。传统的屏蔽材料如混凝土虽然成本较低，但存在诸如不透明、收缩、腐蚀等问题，限制了其在某些关键领域的应用。相比之下，玻璃材料因其透明性、化学和热稳定性，以及能够通过掺杂不同金属氧化物来增强辐射防护能力，成为一种更具潜力的替代品。其中，硼硅酸盐玻璃因其优异的物理化学性能，特别是在吸收中子和γ射线方面的能力，被广泛研究用于核反应堆、放射性废物封装、医疗设备辐射防护以及航天器的辐射屏蔽。

为了提高硼硅酸盐玻璃的辐射屏蔽性能，研究者们通常会引入具有高辐射吸收能力的稀土元素。CeO?和Dy?O?是两种常见的掺杂材料，它们不仅能够增强玻璃的辐射吸收能力，还能改善其光学和结构特性。Ce3?离子在紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）区域具有独特的吸收特性，其在356 nm处的吸收峰是典型的4f1电子跃迁特征。而Dy3?离子则在更广泛的光谱范围内表现出多个吸收峰，表明其具有更复杂的电子结构和更高的辐射吸收潜力。当CeO?和Dy?O?共同掺杂时，玻璃的紫外截止波长会显著增强，达到335 nm，这表明玻璃在紫外区域的屏蔽能力得到了提升。

光致发光（PL）光谱分析显示，掺杂CeO?和Dy?O?的玻璃在光谱特性上有所改善。随着CeO?和Dy?O?的加入，玻璃的发光强度明显增强，表明这些掺杂材料不仅提高了玻璃的辐射吸收能力，还改善了其光学性能。然而，γ射线照射后，PL强度有所下降，这可能与玻璃网络结构的变化有关。玻璃在高剂量辐射下可能会经历结构弛豫，导致发光效率的降低。但值得注意的是，这种变化并不影响玻璃的整体结构和光学稳定性，说明其在辐射环境下仍具有良好的耐久性。

除了光致发光性能，研究还评估了玻璃在水中的化学耐久性。结果表明，这些掺杂玻璃在水中的化学稳定性较高，能够有效防止有害物质的释放。此外，玻璃的微硬度、热膨胀系数和密度在γ射线照射后表现出相对稳定，进一步证明了其在辐射环境下的优异性能。这些特性使得掺杂CeO?和Dy?O?的硼硅酸盐玻璃在多种辐射防护应用中具有广阔的前景。

为了进一步验证这些玻璃的辐射屏蔽能力，研究采用了实验和理论相结合的方法。实验部分使用了NaI（Tl）探测器，配合13?Cs和??Co点源，对玻璃的γ射线屏蔽性能进行了测量。理论计算则借助EPICOM和Phy-X/PSD软件，模拟了快中子和热中子在不同动能范围（0.01-20 MeV）下的相互作用。通过这些方法，研究发现掺杂CeO?和Dy?O?的玻璃在辐射屏蔽方面表现出卓越的性能，特别是在混合掺杂（0.5 wt% Dy?O?和0.25 wt% CeO?）的玻璃中，其屏蔽效果尤为突出。

在所有研究的玻璃中，混合掺杂的玻璃展现出了最高的辐射屏蔽效率。这可能与其独特的化学组成和结构特性有关。硼硅酸盐玻璃的基本结构由硅氧四面体（SiO?）和硼氧三角形（BO?）组成，这些结构单元在吸收中子和γ射线方面具有重要作用。而CeO?和Dy?O?的引入不仅增加了玻璃的辐射吸收能力，还优化了其整体性能，使其能够在多种辐射环境下保持稳定。此外，这些掺杂材料的加入并未导致玻璃的毒性增加，这一点对于其在医疗和核能领域的应用尤为重要。

本研究的创新之处在于，将MSW灰烬作为主要原料，结合CeO?和Dy?O?的掺杂，开发出一种新型的辐射屏蔽玻璃。这种玻璃不仅能够有效吸收γ射线和中子辐射，还具备良好的化学耐久性和结构稳定性。通过实验和理论分析，研究团队验证了这些玻璃在不同辐射条件下的性能表现，并得出结论：这些材料在辐射防护领域具有巨大的应用潜力。这一发现不仅为MSW的处理提供了新的思路，也为辐射屏蔽材料的开发开辟了新的方向。

在实际应用中，这种掺杂玻璃可以用于多种场景。例如，在核反应堆中，其高中子吸收能力可以有效减少中子辐射对设备和人员的影响；在医疗设备中，其透明性和辐射吸收能力可以同时满足对X射线和γ射线的防护需求；在航天器的辐射防护系统中，其轻质和高强度的特性可以为航天器提供有效的辐射屏障。此外，由于MSW灰烬的利用，这种玻璃的生产成本相对较低，同时还能减少固体废弃物的排放，具有显著的环保和经济效益。

本研究的另一个重要贡献在于，展示了如何通过优化玻璃的化学组成和掺杂比例，提高其辐射屏蔽性能。通过对MSW灰烬的化学分析，研究团队确定了其主要成分，并据此设计了不同掺杂比例的玻璃配方。通过系统的结构和光学特性分析，他们发现掺杂比例对玻璃的性能有重要影响。例如，混合掺杂的玻璃在吸收γ射线和中子辐射方面表现出更优的性能，这可能与其成分之间的协同效应有关。这种协同效应使得玻璃能够更有效地吸收不同能量范围的辐射，从而提高其整体屏蔽能力。

此外，研究还强调了硼硅酸盐玻璃作为辐射屏蔽材料的优势。与其他材料相比，硼硅酸盐玻璃不仅具有较高的机械强度和热稳定性，还能够在高温和高压环境下保持良好的性能。这些特性使得它在核能和航天领域尤为重要。同时，硼硅酸盐玻璃的透明性也使其在需要视觉观察的场合具有独特的优势，例如在核反应堆的监控系统中，可以同时实现辐射防护和实时监测。

在实验方法方面，研究采用了多种先进的分析技术，以全面评估玻璃的性能。X射线荧光光谱（XRF）用于分析MSW灰烬的化学成分，确保其适合作为玻璃原料。而电子能谱（EDX）则用于检测制备后的玻璃成分，验证掺杂材料的均匀分布。傅里叶变换红外光谱（FTIR）则用于分析玻璃的结构特性，揭示其在不同能量范围内的吸收行为。紫外-可见-近红外吸收光谱（UV-Vis-NIR）则用于研究Ce3?和Dy3?离子在光谱范围内的吸收特性，为后续的辐射屏蔽性能评估提供依据。

研究团队还通过实验测量和理论模拟相结合的方式，对玻璃的辐射屏蔽性能进行了全面评估。实验部分使用了NaI（Tl）探测器，配合13?Cs和??Co点源，对玻璃的γ射线屏蔽能力进行了测量。理论部分则利用EPICOM和Phy-X/PSD软件，模拟了快中子和热中子在不同动能范围内的相互作用。这些方法的结合不仅提高了研究的准确性，还为未来的研究提供了新的思路和工具。

综上所述，本研究成功开发了一种新型的辐射屏蔽玻璃，其主要原料为MSW灰烬，并掺杂了CeO?和Dy?O?。这种玻璃不仅具备优异的辐射吸收能力，还展现出良好的结构稳定性和化学耐久性。通过实验和理论分析，研究团队验证了其在不同辐射条件下的性能表现，并得出结论：这种材料在辐射防护领域具有广阔的应用前景。这一研究成果为MSW的处理和利用提供了新的方向，同时也为辐射屏蔽材料的开发开辟了新的道路。未来，随着技术的不断进步和需求的不断增加，这种掺杂玻璃有望在更多领域得到应用，为环境保护和辐射防护做出更大的贡献。