环境湿度与空气共存条件下天然斜发沸石对裂变气体(Kr/Xe)吸附行为的定量研究

为解决核爆炸监测中放射性惰性气体在复杂环境下的吸附机制问题，研究人员通过重力法测定天然斜发沸石在氮气-水蒸气混合体系中Kr/Xe的吸附特性，建立双变量经验模型，证实水分会显著降低气体吸附量，为地下核试验(UNE)痕量气体迁移预测提供关键参数。

　　

在核安全监测领域，放射性惰性气体如氪(Kr)和氙(Xe)的吸附行为是探测地下核爆炸(UNE)的关键指标。然而，自然界中广泛存在的水蒸气和空气会显著干扰这些气体在多孔矿物中的吸附过程，现有研究多集中于合成材料如活性炭，对天然矿物如沸石的吸附机制缺乏系统认知。更棘手的是，内华达国家安全基地(NNSS)的实地观测发现，重气体(Xe/SF₆
)的迁移速度反常快于轻气体(He/Ar)，这与传统分子质量理论相悖，暗示孔隙结构和水分竞争吸附可能起决定性作用。

为破解这一难题，由Matthew D. Powell领衔的研究团队在《Journal of Environmental Radioactivity》发表论文，通过创新性重力吸附系统，首次量化了天然斜发沸石(clinoptilolite)在氮气-水蒸气混合环境中对Kr/Xe的吸附规律。该矿物选择极具战略意义——NNSS地质调查显示其局部丰度高达97%，且0.4-0.7 nm的笼状孔隙结构与惰性气体直径高度匹配，能形成"分子牢笼"效应。

研究采用三大关键技术：动态蒸汽吸附系统(DVS)精确控制湿度(0-10% RH)，高灵敏度微量天平实时监测吸附质量变化，以及Sips模型拟合水分子竞争吸附数据。实验样本采用内华达州天然斜发沸石粉末，经200°C脱气处理以消除本底干扰。

水吸附特性
通过DVS测得的水吸附等温线显示，低湿度(<15% RH)时水分子优先占据沸石阳离子位点，随后通过氢键网络形成吸附层。这一过程符合Sips模型，为后续双变量建模奠定基础。

干吸附剂中的气体吸附
在无水条件下，Kr/Xe吸附量与分压呈线性关系，遵循亨利定律(Henry's Law)，且氮气(1 atm)存在不影响该规律。这表明在UNE监测相关的痕量分压(<10^-3
atm)范围内，吸附主要由物理作用主导。

水蒸气竞争效应
引入水蒸气后，Kr/Xe吸附量呈指数下降——10% RH时Xe吸附量降低达76%。研究人员创新性提出双变量模型，将亨利定律与Lungu-Underhill指数衰减项结合，首次量化了水分子阻塞孔隙的竞争机制。值得注意的是，Xe受影响程度大于Kr，这与Paul等人2021年发现的"高湿度下Xe吸附优势"现象形成有趣对比，暗示不同湿度区间存在吸附位点转换。

讨论与结论
该研究突破性地证实：①天然斜发沸石在干燥条件下可作为高效惰性气体吸附剂；②水分含量是影响吸附的关键变量，10% RH即能显著削弱吸附容量；③建立的经验模型能精准预测UNE监测场景(痕量气体+高湿度)下的吸附行为。这些发现不仅解释了NNSS现场观测到的反常气体迁移现象，更为CTBT(全面禁止核试验条约)监测系统提供了关键参数——将模型嵌入现有地下千米尺度迁移模拟程序后，可显著提升UNE信号识别精度。

研究同时揭示了未来方向：需探究更高湿度(>40% RH)下的吸附机制转变，以及CO₂
/CH₄
等背景气体的竞争效应。这项工作标志着核安全监测从合成材料向天然矿物的范式转移，为利用地质屏障天然属性提升监测灵敏度开辟了新途径。