利用碱活化生物炭结合EICP技术提升铀矿尾矿红黏土覆盖层中的氡气控制效果

《Journal of Environmental Radioactivity》：Improving radon mitigation in uranium mill tailings red clay cover layer using alkali-activated biochar combined with EICP

　　

摘要

为解决铀矿尾矿上红黏土覆盖层在抑制氡气方面的稳定性较差问题，采用高温限氧法以园林废弃物为原料制备了碱活化生物炭。随后将该生物炭与酶诱导碳酸盐沉淀法结合使用，以提高铀矿尾矿红黏土覆盖层的氡气抑制效果。研究人员对样品进行了无侧限抗压强度、超声波波速、碳酸钙含量、湿碎强度、吸水率以及氡气扩散系数的检测，并将测试结果与沙子混合的EICP处理组以及未处理的土壤组进行对比。通过标准化方法确定了最佳混合比例，结果表明最佳生物炭添加量为3%。在此比例下，样品的无侧限抗压强度和超声波波速分别为1594千帕和1.48千米/秒。与未处理的土壤相比，该处理方式的氡气抑制效果提升了3.5倍，而抗碎强度则提高了5.4倍。

引言

中国是重要的核能国家，随着核技术的发展，产生了大量放射性废物。这些放射性废物被储存在铀矿尾矿中，对周边环境及当地居民的健康构成严重威胁（Ferry等人，2001年）。研究表明，铀矿尾矿中的镭衰变会产生大量氡气，它是导致肺癌的第二大因素（María等人，2019年）。因此，对铀矿尾矿进行治理具有重要意义（见表3）。

目前，在国内外铀矿尾矿治理实践中，覆盖法是被认为最有效的降低氡气释放率的措施之一（Hong等人，2025c年）。中国的大部分铀矿尾矿库位于气候炎热、降雨量大的南方地区，当地通常使用红黏土作为抑制氡气的覆盖材料（Zhang等人，2024年）。然而，在长期的高温高雨等极端天气条件下，红黏土覆盖层容易开裂，裂缝数量增多，从而导致氡气释放量增加（Hong等人，2025a年）。因此，提升红黏土覆盖层的稳定性已成为提高铀矿尾矿治理效果的关键问题。

Liu等人（2025年）发现，少量木质素磺酸钙的添加可以有效改善覆盖层的力学性能，提升氡气抑制效果。Li等人（2023年）在红黏土中加入氯化钙后发现，低浓度的氯化钙能够抑制裂纹产生和氡气释放，而高浓度则会增加土壤孔隙度，使土壤结构变得松散，为氡气提供更多迁移通道，进而增加氡气释放量。Liu等人（2025年）指出，用木质素磺酸钙改性的红黏土不仅能增强覆盖层的氡气屏蔽能力，还能显著提升土壤的力学性能。Hong等人（2025b年）则采用石英砂与EICP结合的方法来改善铀矿尾矿的红黏土覆盖层，该方法提高了土壤渗透性，降低了氡气释放率，同时增强了覆盖层的力学稳定性。虽然这些物理化学改性方法能够有效提升土壤稳定性，但它们较高的生产成本以及大量的二氧化碳排放，与绿色、环保和可持续发展的理念相悖。

为应对上述问题，研究人员开始探索更高效的土壤改良技术。酶诱导碳酸盐沉淀法已被公认为是可持续岩土工程领域的一种有效替代方案（Ahenkorah I.等人，2021年）。研究表明，该技术能够有效降低红黏土覆盖层的孔隙度，切断氡气的迁移路径（Tang等人，2026年）。Dong等人（2024年）发现，基于木质素磺酸钙的EICP溶液能够显著提升黄土路基土壤的强度。Yuan等人（2025年）利用EICP修复黄土裂缝，发现EICP作用下生成的碳酸钙晶体可以填充土壤孔隙，黏结土壤颗粒，提高土壤的密实度和凝聚力，从而增强黄土的抗侵蚀能力。

与此同时，生物炭被称为“黑色黄金”（Tan和Yu，2024年）。Li等人（2018年）以及Zhang等人（2025年）发现，生物炭通常具有比表面积大、pH值高、阳离子交换容量高、密度低且性质稳定的特点。将其添加到土壤中后，可以改变土壤的密度和持水性等物理性质，进而影响土壤稳定性。因此，生物炭可作为土壤改良的添加剂。Yang等人（2023年）和Li等人（2019年）研究了不同生物炭含量改性的黏土的孔隙结构特征及其对渗透性的影响，发现生物炭-黏土混合物的饱和水力传导率会随着生物炭含量的增加而逐渐上升。

生物炭具有很强的氡气吸附能力，已在实际应用和科学研究中得到广泛运用。将生物炭施用于土壤中，可以有效降低氡气释放系数（Kamil等人，2021年）。Wang等人（2023年）指出，由甘蔗渣和稻壳制成的生物炭具有良好的氡气吸附性能，其吸附机制主要是物理吸附。

本研究旨在探讨生物炭与EICP协同作用对提升铀矿尾矿红黏土覆盖层氡气抑制稳定性的作用机制。与以往仅关注提升土壤强度的研究不同（Almajed，2019年；Almajed等人，2021年），本研究的创新点在于两个方面：首先，生物炭不仅能够提升EICP反应的效率，通过改善土壤渗透性为碳酸钙生成提供成核场所，还能凭借其多孔结构主动吸附并捕获氡气，实现“强化结构”与“阻挡氡气”的双重作用；其次，通过系统比较不同生物炭含量下的联合处理效果，以及与未处理土壤和石英砂混合处理组的对比，定量分析了这种协同作用的优势。本研究为铀矿尾矿的生态化、长效修复提供了新的思路和实验依据。

章节节选

生物炭的制备与活化

作为生物炭制备的原料，选用了园林废弃物中的樟树枝。去除树皮后，将树枝清洗干净，然后在105°C的烤箱中干燥8小时，直到其质量不再发生变化。干燥后的樟树枝被切成5厘米长的小段，整齐地放置在坩埚中，再放入马弗炉中。在高温限氧条件下，以5℃/分钟的速度将温度升高至600°C，经过2小时的烘烤后，

生物炭颗粒的测试

测试采用了数字型颗粒硬度测试仪（型号GWJ-2，制造商为北京金科利达电子科技有限公司）。从三个不同粒径级别的生物炭颗粒中各选取500个样本进行测试。将每个颗粒放置在工作台上，缓慢向上旋转旋钮，直到颗粒破裂，此时数字显示屏上显示的最大数值即为该颗粒的硬度值。最终将500个颗粒的最大硬度值取算术平均值，

生物炭的表征参数

根据第3.1节所述的测试方法，对获取的生物炭颗粒图像进行了分析处理。下表展示了不同粒径生物炭颗粒的形状参数。随着颗粒尺寸从1.0毫米增加到1.25毫米，再到1.5～2.0毫米，颗粒的投影面积也从2.51平方毫米增加到3.58平方毫米，同时形状参数也发生了相应变化：球形度从0.86下降到0.81，圆度从0.72下降到0.66，

结论

• (1)
  生物炭与EICP协同作用降低氡气扩散的机制主要如下。由于生物炭具有碱性特征和较大的比表面积，能够吸附并固定氡气，阻止其扩散。此外，其丰富的蜂窝状结构中含有大量微孔，可为EICP的矿化反应提供成核场所，从而促进矿化过程的进行。
• (2)
  与使用石英砂结合EICP方法来改善氡气抑制效果相比，

伦理审批与参与同意

无需审批。

出版同意

无需同意。

资金支持

本研究得到了以下机构的资助：湖南省自然科学基金（项目编号：2026JJ80204），国家自然科学基金（项目编号：52274167），湖南省研究生创新基金（项目编号：CX20251435），湖南省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S202510555491）。

CRediT作者贡献说明

张成宇：正式分析、研究、软件应用、验证、初稿撰写。杨振远：研究、方法设计、软件应用。邹志恩：方法设计、验证。梁佳乐：正式分析、研究。李福兵：项目管理、软件应用。张志军：概念构思、资金申请、项目管理。吴玲玲：项目管理、软件应用。洪长寿：概念构思、数据整理、资金申请、方法设计、项目整体协调。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

张成宇|杨振远|邹志恩|梁佳乐|李福兵|张志军|吴玲玲|洪长寿

中国湖南省衡阳市南华大学资源环境与安全工程学院，邮编421001