压实与离子强度对膨润土中Ca(II)、Mg(II)和K(I)与Na(I)阳离子交换选择系数的影响及其在地质处置中的应用

为解决高放废物地质处置中膨润土缓冲材料阳离子交换行为的预测难题，研究人员通过柱实验和批实验系统研究了压实状态与离子强度对Ca(II)、Mg(II)和K(I)与Na(I)选择系数(KGT)的影响。结果表明，压实状态下KGT显著高于分散状态，且随离子强度增加而升高。数值模拟验证了压实状态KGT在模拟实际地下水环境中的优越性，为高盐环境下膨润土性能评估提供了关键参数。

　　

膨润土因其自密封特性被广泛用于高放废物地质处置的缓冲材料，但其性能高度依赖主要矿物蒙脱石的阳离子组成。在沿海候选处置场，地下水盐度变化可能显著影响膨润土的阳离子交换行为。然而，现有研究多基于分散状态和低盐溶液的批实验数据，难以反映实际压实状态和高盐环境下的真实情况。这一认知缺口可能对长期安全评估带来不确定性。

日本研究人员在《Applied Clay Science》发表的研究中，通过创新性实验设计解决了这一难题。团队采用纯钠蒙脱石（Kunipia-F），分别开展压实（干密度1.0 Mg/m³）和分散状态的柱实验与批实验，测试溶液包括KCl-NaCl、CaCl₂-NaCl和MgCl₂-NaCl混合体系，离子强度覆盖0.05-0.5 M范围。关键技术包括：1）改进的SFSA法测定固相阳离子分数；2）基于Gaines-Thomas惯例计算选择系数；3）HYDRUS-HP1耦合模型模拟实际地下水渗透过程；4）ICP-OES和AAS精确测定阳离子浓度。

研究结果部分，3.1章节显示柱实验渗滤液阳离子浓度随累积流量变化规律，证实实验达到平衡状态。3.2章节通过改性SFSA法测得固相阳离子当量分数，显示Na⁺被K⁺、Ca²⁺或Mg²⁺大量置换，且CEC值（92-125 meq/100g）与初始值（122 meq/100g）相符。3.3章节的关键发现是：所有阳离子的K_GT在压实状态下均高于分散状态（如Ca²⁺的K_GT达5-8 vs 2.6-5.7），且随离子强度增加呈上升趋势。这一现象被归因于蒙脱石叠层体（tactoid）结构变化——高离子强度下双电层压缩导致叠层体尺寸增大，而叠层体内部层间对二价阳离子具有更高亲和力。3.4章节通过沿海地下水（离子强度0.28 M）的柱实验验证，证明采用压实状态K_GT的数值模拟结果与实验数据吻合度最佳。

结论部分强调，该研究首次系统量化了压实状态和高盐环境对阳离子交换选择系数的影响机制。实际应用中，建议采用与地下水离子强度相近的压实状态K_GT参数进行预测。该成果不仅修正了传统分散状态数据的局限性，更为高放废物处置库的安全评估提供了可靠的理论基础。未来需通过XRD和SAXS等技术进一步验证叠层体尺寸变化假说，并拓展不同压实密度下的实验数据。