真空环境下基于快速离子交换的高效土壤放射性铯去污技术研究

日本原子力研究开发机构与物质材料研究机构合作，针对福岛核污染土壤中137Cs难以去除的难题，创新性地采用NaCl辅助真空热处理技术。研究发现真空条件下（1073 K）去污率高达96%，远超大气环境下的27%，首次揭示了NaCl升华促进黏土矿物层间快速离子交换(RIE)的机制，为放射性污染土壤修复提供了低温高效解决方案。

　　

2011年福岛核事故后，放射性铯¹³⁷Cs（半衰期30年）在土壤中的长期滞留成为环境治理的顽疾。传统修复方法如植物提取、磁分离等难以清除黏土矿物层间牢固结合的Cs⁺——因其直径与硅氧烷六元环空腔完美匹配，而风化云母的"磨损边缘位点"对Cs⁺的固定能力更强。虽然高温熔融法（1000-1400°C）去污率可达90%以上，但能耗高且会使土壤玻璃化丧失再利用价值。如何实现低温高效去污，成为国际环境修复领域的重大挑战。

日本原子力研究开发机构的Iwao Shimoyama团队在《Journal of Environmental Management》发表的研究中，通过对比大气与真空环境下NaCl辅助热处理的效果，取得突破性进展。研究人员采集福岛富冈町污染土壤（初始¹³⁷Cs活度8.2 Bq/g）和Cs吸附风化黑云母(WB)模型样品，采用同步辐射X射线衍射(XRD)、热重分析(TG-DTA)等先进表征技术，发现真空环境使1073 K时的去污率从大气的10%跃升至90%以上。

关键技术方法
研究团队构建了真空/大气双模式热处理系统，通过γ能谱定量¹³⁷Cs去除率。采用原位XRD追踪黏土矿物层间距变化，结合热脱附光谱(TDS)分析NaCl挥发动力学，傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测羟基脱除过程。以未污染风化黑云母作为模型材料，通过X射线荧光(XRF)分析元素迁移规律。

主要研究结果

温度依赖性去污效率
真空环境下，去污率随温度升高呈指数增长：973 K时仅40%，1173 K达96%。大气环境中相同温度下去污率始终低于30%。γ能谱显示662 keV特征峰强度下降与温度正相关。

NaCl作用机制差异
大气中NaCl主要引发黏土矿物相变，而真空条件下通过快速离子交换(RIE)实现Cs⁺置换。原位XRD证实真空加热时层间距从1.0 nm膨胀至1.4 nm，TDS检测到400-600 K区间NaCl剧烈升华，与Cs脱附峰完全重合。

结构演变机理
FTIR显示真空环境促进黏土矿物脱羟基，导致层电荷重组。TG-DTA证明真空条件下NaCl的升华温度降低200 K，产生的气态Na⁺可穿透膨胀的层间结构，与Cs⁺发生毫秒级快速交换。

结论与意义
该研究首次阐明真空环境通过三重协同效应提升去污效率：①NaCl低温升华产生高活性Na⁺；②黏土矿物层间膨胀降低扩散势垒；③脱羟基作用改变层电荷分布。相比传统熔融法，该技术将处理温度降低300 K以上，且保持土壤结构完整。研究提出的"真空辅助快速离子交换"(VAC-RIE)机制为放射性污染土壤修复提供了新范式，其经济性（NaCl成本仅为碳酸盐添加剂的1/5）和可扩展性对福岛等核污染地区的生态恢复具有重大实践价值。