Ce3+去除与固定的策略：吸附到膨润土上并直接转化为硼硅酸盐玻璃

《Materials Chemistry and Physics》：Strategies for Ce3+ removal and immobilization: Adsorption onto bentonite and direct conversion to borosilicate glass

　　

E. Shobana Divya | Nibedita Samanta | Hrudananda Jena | Manisankar Palai

印度泰米尔纳德邦卡尔帕卡姆（Kalpakkam-603102）霍米·巴巴国家研究所（Homi Bhabha National Institute）下属的英迪拉·甘地原子研究中心（Indira Gandhi Centre for Atomic Research）

摘要

本研究通过批量吸附实验评估了膨润土去除模拟放射性废液中的Ce³⁺离子的效果，实验过程中未进行任何化学改性。采用EDXRF、XRD、TG-DTA、FTIR、SEM-EDS和XPS等手段对膨润土进行了分析。EDXRF分析显示，膨润土的主要成分是SiO₂（约占57%），且SiO₂与Al₂O₃的比为2.50。XRD结果表明，蒙脱石是膨润土中的主要结晶相。FTIR的透射光谱显示SiO₂和Al₂O₃具有层状结构。TG-DTA数据表明发生了脱水和脱羟基反应。SEM观察发现膨润土颗粒呈团聚状，EDS分析确认SiO₂为其主要成分。通过改变溶液的pH值（1-8）、接触时间（15-360分钟）以及固液比（1 mg:1 mL至20 mg:1 mL），研究了Ce³⁺的去除效果。在pH值为6、固液比为3 mg:1 mL且平衡时间为1小时的条件下，膨润土的去除效率最高，达到约95%。吸附过程遵循伪二级动力学模型，Langmuir等温线模型的拟合度R²为0.999，最大吸附容量为61.01 mg g^?1（在pH值为6时）。吸附过程的ΔG°为?2.93 kJ mol^?1。通过添加玻璃形成剂，将膨润土及负载Ce³⁺的膨润土转化为硼硅酸盐玻璃，XRD分析证实了这一转化过程。XPS分析显示玻璃中Ce的氧化态为+3。浸出实验验证了玻璃的化学稳定性，证明了其作为核废料固化基材的适用性。本研究强调了膨润土在水介质中吸附Ce³⁺的潜力，以及将负载Ce³⁺的膨润土转化为硼硅酸盐玻璃用于核废料固化的可行性。

引言

核工业产生的放射性废物对环境构成威胁，其安全处置是核工业面临的重要问题[1]。放射性废物从铀矿开采到再处理厂的全过程中都会产生[2,3]。根据放射性水平，这些废物被分为六类：豁免废物、极短寿命废物、低水平废物、中等水平废物、高水平废物和高水平废物[4]。高水平废物主要来源于乏核燃料的再处理过程，其中含有多种长寿命锕系元素和具有高放射性的裂变产物，如U、Pu、Np、Am、Cm、Cs、Sr、I等，以及镧系元素如La、Ce、Pr、Nd等[5]。为了减缓这些废物在环境中的迁移，采用了化学沉淀、离子交换、吸附、膜分离等多种方法[6,7]。镧系元素占核废料中裂变产物的四分之一，广泛应用于医药、电池、陶瓷、催化、永磁材料、超导材料、冶金等多个领域[8],[9],[10],[11],[12],[13]。因此，在处置前必须将其从废液中分离出来。

吸附技术因其成本效益高、设计和操作简单而成为处理低至中等浓度废物的常用方法[14],[15],[16],[17]。许多吸附剂被用于从废液中分离放射性核素和裂变产物，例如活性炭、石墨烯、碳纳米管、金属有机框架、天然矿物和粘土等，以减轻长期储存带来的负担[18],[19],[20],[21],[22],[23]。粘土矿物是吸附放射性核素和裂变产物的潜在候选材料。在深层地质处置设施中，粘土常作为工程屏障系统的主要组成部分来隔离放射性废物；在近地表处置设施中则用作衬垫材料[24]。由于其优异的吸附性能，膨润土被选为理想的回填材料[25]。膨润土成本低廉、环保且具有较高的阳离子交换能力、膨胀性和结构稳定性[13]，能有效捕获Cs⁺、Sr²⁺、U⁶⁺、Co²⁺和Ln³⁺（如La³⁺、Ce³⁺）等放射性核素，从而降低它们的迁移性和环境影响[26],[27],[28]。然而，仅靠吸附无法实现长期固化，尤其是在地质处置条件下。将其转化为硼硅酸盐玻璃是一种可靠且经过验证的永久固化方法。硼硅酸盐玻璃具有优异的热稳定性、机械稳定性和辐射稳定性，是全球核废料储存的首选材料[29],[30]。将膨润土吸附与放射性核素负载粘土的直接转化相结合，是一种既能高效捕获废物又能实现长期固化的双重策略。

章节摘录

化学试剂

本研究中使用的所有试剂均为分析级，采购后未经进一步纯化。膨润土购自M/s Sigma-Aldrich公司；99.9%的氯化铈（CeCl₃）购自M/s Thermo Fischer Scientific公司作为模拟物；69%的HNO₃购自Rankem公司用于实验。实验过程中使用Milli-Q纯水系统制备的去离子水（18 MΩ）。1000 mg L^?1的Ce³⁺储备溶液已准备好。

EDXRF分析

通过EDXRF分析了原始膨润土的化学组成，结果见表1。膨润土的主要成分是SiO₂（56.78%），其次是Al₂O₃（22.66%）和Fe₂O₃（12.85%）。此外还含有少量TiO₂、K₂O和CaO。SiO₂与Al₂O₃的比为2.50，其整体组成与其他文献报道的膨润土一致[40]。为测定粘土中的总挥发性物质（灼烧损失），称取了10克膨润土...

结论

本研究证明了未经处理的膨润土适用于从废液中吸附Ce³⁺。EDXRF分析确认SiO₂是膨润土的主要成分，SiO₂与Al₂O₃的比为2.50。XRD分析显示蒙脱石是膨润土中的主要结晶相，同时含有少量石英杂质。批量吸附实验表明膨润土能有效分离Ce³⁺...

作者贡献声明

E. Shobana Divya：负责撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法验证、实验设计及概念构建。Nibedita Samanta：负责撰写、审稿与编辑、结果验证、监督及概念构建。Hrudananda Jena：负责撰写、审稿与编辑、结果验证、监督、实验设计及概念构建。Manisankar Palai：负责数据分析。

资金支持

本研究未获得任何特定机构的资助。实验在印度政府的IGCAR原子能部门所属的国家实验室进行。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢MC&MFCG的V. Jayaraman博士和FMCG的Rajesh Ganesan博士在工作期间提供的宝贵支持与鼓励。同时感谢MC&MFCG的ACSS负责人Siuli Maji博士在ICP-OES分析方面的协助。此外，还要感谢Pondicherry大学的Kirubakaran先生在XPS分析方面的帮助。