膨润土-针铁矿复合胶体抑制黏土岩中锶吸附的机制解析及其对核废料地质处置的启示

针对高放射性核废料中90 Sr迁移风险问题，研究人员通过静态吸附实验与光谱技术，揭示了膨润土-针铁矿（bentonite-goethite）复合胶体在黏土岩表面形成保护层，抑制Sr2+ 与斜长石的离子交换，为核废料库安全设计提供关键理论依据。

　　

核能利用的可持续发展面临一个严峻挑战：如何处理高放射性废料中的锶-90（⁹⁰
Sr）？这种同位素半衰期长达28.8年，易通过地下水迁移，并在人体骨骼中替代钙离子，引发癌症、遗传疾病等健康风险。更棘手的是，类似切尔诺贝利和福岛核事故的教训表明，⁹⁰
Sr的环境扩散会显著增加辐射危害。当前，地质处置法被广泛认为是永久隔离核废料的可行方案，而黏土岩因其优异的吸附性、低渗透性成为理想宿主岩。然而，地下环境中广泛存在的胶体（如膨润土和针铁矿）可能通过表面吸附或化学键合影响核素迁移行为，其具体机制尚不明确。

为解答这一科学问题，中国国家重点研发计划支持的研究团队以内蒙古苏宏图黏土岩为研究对象，结合静态吸附实验、动力学模型及光谱分析技术，系统探究了膨润土-针铁矿（bentonite-goethite）复合胶体对Sr吸附的调控机制。研究发现，黏土岩对Sr的吸附效率高度依赖pH，碱性环境下吸附率显著提升。复合胶体在斜长石表面形成保护层，阻断Sr²⁺
与矿物表面的离子交换，从而抑制吸附过程。这一成果发表于《Journal of Environmental Radioactivity》，为核废料库的多重屏障设计提供了关键理论支撑。

关键技术方法包括：静态吸附实验（分析pH和胶体浓度的影响）、吸附动力学模型（准一级和准二级模型拟合）、扫描电镜（SEM）表征黏土岩微观结构、X射线衍射（XRD）鉴定矿物组成，以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）揭示表面官能团变化。实验采用非放射性SrCl₂
·6H₂
O作为⁹⁰
Sr的化学模拟物，确保安全性。

研究结果

1. 黏土岩表征：SEM显示样品具有1–5 μm层状碎屑结构，表面疏松多孔（0.5–5 μm孔隙），XRD证实其主要成分为斜长石和石英，高比表面积有利于吸附。
2. pH依赖性：碱性条件（pH>9）下Sr吸附量达峰值，酸性环境（pH<4）吸附率下降50%，归因于H⁺
   竞争吸附位点。
3. 复合胶体抑制机制：FTIR证实胶体通过Fe-O-Si键覆盖斜长石表面，阻隔Sr²⁺
   与矿物中Ca²⁺
   的离子交换，使吸附量降低35%。

结论与意义
该研究首次阐明复合胶体通过物理屏蔽和化学键合双重机制抑制Sr吸附，挑战了传统认知中胶体促进核素迁移的观点。这一发现对高放废物地质处置库的选址评估和屏障材料优化具有双重价值：一方面提示需评估宿主岩与胶体的相互作用，另一方面为人工屏障设计（如调控pH或添加胶体阻滞层）提供新思路。未来研究可进一步探索不同地质条件下胶体-核素-岩石三元体系的长期稳定性，以完善核废料安全处置的预测模型。