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为探究高温对核废料处置中膨润土屏障性能的影响，研究人员以芬兰 ONKALO? repository 用膨润土为对象，研究 150℃干热 36 个月后其矿物化学稳定性及对??Sr 吸附行为。发现虽有 Na-Ca 交换和比表面积下降，但吸附能力保留，为安全评估提供依据。
核废料的安全处置是全球面临的重大挑战。深地质处置库中，膨润土作为关键屏障材料，需长期承受放射性衰变产生的高温（可能超过 100℃）。然而，高温如何影响膨润土的物理化学性质及放射性核素滞留能力尚不明确，尤其是像??Sr 这样具有高环境迁移性和健康风险的裂变产物。阐明这些机制对确保处置库的长期安全至关重要。
为解决这一问题，芬兰研究人员以用于芬兰地质处置设施的怀俄明膨润土（商品名 Barakade）为研究对象，开展了为期 36 个月的 150℃干热实验，模拟处置库早期封闭后膨润土 - 容器界面的高温环境，系统研究了高温处理对膨润土矿物学、地球化学稳定性及其对??Sr 吸附行为的影响。相关研究成果发表在《Applied Clay Science》。
研究采用了多种关键技术方法：通过 X 射线衍射（XRD）分析矿物组成变化，利用阳离子交换容量（CEC）测定和滴定实验研究离子交换行为，借助比表面积（SSA）分析评估物理结构改变，运用动态光散射（DLS）和 zeta 电位分析胶体形成潜力，开展批次吸附实验结合热力学建模（2SPNE SC/CE 模型）及扩展 X 射线吸收精细结构（EXAFS）光谱探究 Sr 的吸附机制和配位环境。
3.1 膨润土的表征及热处理后的变化
- 矿物组成：XRD 显示，热处理后膨润土主要矿物仍为蒙脱石，未检测到伊利石生成，但蒙脱石的 001 basal 反射峰向低角度偏移，层间距从 10.27? 增至 12.51?，表明层间发生 Na?与 Ca2?的部分交换，可能由热力学驱动的阳离子迁移引起。FTIR 光谱显示热处理前后官能团无显著变化，说明蒙脱石结构稳定。
- 阳离子交换容量和可交换阳离子：CEC 在热处理后无显著变化，但可交换 Na?、K?、Mg2?浓度降低，Ca2?浓度升高，进一步证实层间 Na?被 Ca2?取代。
- pH 缓冲能力和元素溶出：滴定实验表明，热处理前后膨润土的 pH 缓冲能力及 Fe、Al、K 的溶出行为基本一致，但酸性条件下 Si 和 Ca 的溶出量增加，反映出热处理可能导致部分结构硅溶解。
- 比表面积：SSA 从 30m2/g 降至 14m2/g，降幅超 50%，可能是由于热处理导致黏土颗粒边缘键断裂、聚集，形成更大颗粒。
- 胶体形成：在 ONKALO? 参考水（离子强度 0.2M）中未形成稳定胶体，而在去离子水中形成 600-800nm 的胶体，但热处理对胶体的稳定性、数量和尺寸无显著影响。
3.2 Sr 吸附行为
- 吸附等温线：Sr 吸附强烈依赖 pH，pH8 时吸附率约 40%，pH13 时达 90%。热处理后，pH8 时 Sr 吸附略有增强（约 5%），pH13 时无显著变化。
- 热力学建模：2SPNE SC/CE 模型显示，未加热膨润土在 pH8 时，Sr 吸附由表面络合（约 30%）和阳离子交换（约 70%）共同作用；pH13 时，吸附转向以表面络合为主。热处理后，两种 pH 条件下均以阳离子交换为主。
- EXAFS 分析：pH8 时，Sr 以弱外球络合形式吸附；pH13 时，形成更强的内球络合，热处理未显著改变 Sr 的局部配位环境。
研究表明，尽管 150℃干热处理导致膨润土发生 Na?-Ca2?交换和比表面积下降等物理化学变化，但其对 Sr 的吸附能力得以保留，主要通过阳离子交换机制实现。这一结果为芬兰 ONKALO? 处置库中膨润土作为缓冲材料的长期安全性提供了重要实验依据，证实了膨润土在高温条件下仍能有效滞留放射性核素。同时，研究强调了结合实验数据、热力学建模和光谱分析全面解析核素吸附机制的重要性，为优化处置库设计和安全评估提供了新的思路。未来研究可进一步拓展至其他放射性核素，并在更接近实际处置条件（如温度、湿度和压力）下开展研究，以深化对膨润土屏障性能的理解。
