工业废玻璃制备碱硼硅酸盐基质固定锶的研究：耐久性及微观结构演变机制解析

为解决放射性核素90Sr长期环境风险问题，研究人员利用工业废玻璃（FG）开发碱硼硅酸盐玻璃（ABS）固化体，通过FTIR、XRD、SEM/EDX等技术证实Sr2+通过取代Si-O键增强网络刚性，在pH 4条件下Sr浸出率低至1.0×10-4 g m-2 d-1，为放射性废物处置提供低成本可持续解决方案。

　　

核能发展的背后隐藏着一个棘手的难题：半衰期达28.8年的放射性核素⁹⁰Sr，因其高水溶性和生物累积性，可能通过地下水迁移造成长期环境威胁。传统硼硅酸盐玻璃固化体虽能有效包容高放废物，但存在成本高、碱金属易析出等问题。更令人担忧的是，地质处置库中地下水侵蚀可能导致固化体结构劣化，加速核素释放。面对这些挑战，埃及研究人员另辟蹊径，将目光投向当地玻璃厂的工业废料——绿色工厂玻璃（FG），试图用这种富含SiO₂和B₂O₃的废弃物打造新型碱硼硅酸盐（ABS）固化基质。

这项发表在《Applied Radiation and Isotopes》的研究采用熔融-淬火法制备了含40 wt% Sr的模拟废物固化体（Sr-ABS），通过多尺度表征揭示了其稳定化机制。关键技术包括：1）SEM/EDX分析表面形貌与元素分布；2）FTIR检测非桥氧（NBO）变化；3）XRD验证非晶态结构；4）热分析（DSC）测定玻璃转变温度；5）γ辐照实验评估辐射稳定性；6）多变量浸出实验（GOST标准）模拟地质处置环境。

【结构研究】
SEM显示Sr-ABS表面均匀无裂纹，EDX证实Sr均匀分散。FTIR发现Sr引入导致1，050 cm^-1处NBO特征峰增强，表明Sr²⁺打破Si-O-Si网络形成Sr-O键，这种结构重组使玻璃转变温度提升约50°C。XRD无衍射峰证实材料保持非晶态，有利于长期稳定性。

【辐射稳定性】
ESR谱显示γ辐照后Sr-ABS中钠缺陷信号减弱，推测Sr²⁺通过电荷补偿作用抑制了Na⁰的形成。结合过渡金属（Cu²⁺/Fe³⁺）的配位灵活性，材料表现出优异的缺陷自修复能力。

【浸出行为】
多变量分析揭示：在pH 4、25°C条件下，Sr主要通过溶解和一级反应浸出，23小时累积浸出率仅为1.0×10^-4 g m^-2 d^-1。B和Na的浸出则遵循一级反应动力学，FTIR显示浸出后表面形成富含[BO₃]的蚀变层，这种致密层反而能抑制进一步腐蚀。

研究结论表明，以工业废玻璃为原料的ABS基质通过三重稳定机制固定Sr：1）Sr-O键增强网络刚性；2）[BO₄]/[AlO₆]结构缓冲辐照损伤；3）表面蚀变层形成保护屏障。该策略不仅将废物处理成本降低30-40%，更开创了"以废治废"的循环经济模式，为《核安全公约》要求的废物最小化目标提供了切实可行的技术路径。特别值得注意的是，材料在模拟地质环境中的优异表现，使其有望应用于我国高放废物深地质处置库的工程屏障系统。