放射性处置场址多层屏障中黏土与砂对污染物的水文地质评价及吸附过程

《Scientific Reports》：Hydrogeological evaluation and sorption process of contaminants onto clay and sand as multi-barrier of a radioactive disposal site

　　

本研究调查黏土-砂混合物作为核废物处置设施屏障层的水文地质与吸附特征。主要目标是评估在处置包模拟污染物释放情景下，黏土与砂层对锶(Sr2+)和钴(Co2+)的岩土工程特性及固定行为。棕色黏土与棕色砂的饱和水力传导度(Ks)值分别为3.78×10?8和1.02×10?3 cm/s，表明其对水流及污染物迁移具有强阻抗能力。模拟酸性水流通显著增加了棕色黏土的Ks，但对白色黏土无影响，这归因于后者富含铝硅酸盐的高岭石化学惰性，而前者含有伊利石、层间阳离子、方解石及风化作用。pH为6时的批量吸附实验与动力学研究表明，相较于白色黏土与棕色砂，棕色黏土对Sr2+和Co2+的摄取能力更优。实验与模拟的吸附容量与伪二阶动力学模型(Pseudo-second-order kinetic model)吻合最佳，在所有样品中均优于伪一阶模型(Pseudo-first-order model)。

该研究发表于《Scientific Reports》，针对低中放废物近地表处置设施的多层屏障系统设计需求，聚焦黏土与砂作为天然及工程屏障材料在阻滞放射性核素迁移中的关键作用。目前放射性废物处置面临的主要挑战在于屏障材料在长期渗流及复杂水文地球化学环境（如酸性渗滤液侵入）下的物理结构稳定性与化学吸附容量衰减问题，特别是锶(Sr²⁺)与钴(Co²⁺)等核素的迁移风险。为评估埃及三角洲东部第四系与中新统沉积层中不同岩性材料的适用性，研究人员开展了棕黏土(BC)、白黏土(WC)、棕砂(BS)、黄砂(YS)、白砂(WS)五类样品的矿物学、岩土水理性质及核素吸附行为的系统研究，旨在量化其在模拟酸性条件下的渗透演化规律与动力学机制，为处置场址屏障层选材提供实证依据。

研究人员采用的关键技术方法包括：从埃及三角洲东部采集五类沉积样品，通过X射线荧光(XRF)与X射线衍射(XRD)分析主次量氧化物与矿物组成，利用扫描电镜(SEM)观测微观形貌，基于BET方程测定比表面积；依据ASTM标准进行颗粒级配分析、比重、孔隙度与饱和水力传导度(K_s)测试（变水头与常水头法），并借助HYDRUS-1D与RETC软件基于van Genuchten模型模拟非饱和水力传导度K(θ)；通过批量吸附实验考察pH与时间对Sr²⁺与Co²⁺吸附量的影响，并拟合伪一阶、伪二阶及Elovich动力学模型以判定控速机制。

Geochemistry and mineralogy of samples

研究人员通过XRF分析发现砂样以SiO₂为主，黏土样Al₂O₃与Fe₂O₃含量更高；XRD揭示白黏土主矿物为高岭石、石英与钠长石，棕黏土含伊利石、石英、赤铁矿与方解石。酸处理导致黏土矿物XRD峰强减弱，结构无序度增加，棕黏土因含方解石等对酸更敏感，SEM显示酸蚀破坏晶体结构并形成孔洞，进而提升渗透性。

Geotechnical properties of samples

颗粒分析表明棕砂细粒含量达14.12%，级配良好；棕黏土层状颗粒小于2 μm占比35.14%高于白黏土。密度测试显示砂样密度1.62–1.66 g/cm³，黏土1.44–1.48 g/cm³；黏土比重2.63–2.73高于砂样。孔隙度0.31–0.45显著影响砂样K_s，而黏土中K_s主要受总孔隙体积控制。棕黏土单独K_s为6.09×10^?7 cm/s，棕砂因细粒多为1.02×10^?3 cm/s但具一定阻渗性。

Sorption investigation

批量实验表明pH 6时Sr²⁺与Co²⁺吸附量最高，30分钟达平衡。棕黏土吸附容量显著高于白黏土与棕砂，归因于其低渗透性与高活性矿物含量。吸附等温线显示平衡吸附量与液相浓度相关。

Kinetic modeling

动力学拟合结果显示伪二阶模型相关系数R²达0.95–0.99且均方根误差(RMSE)最低，计算与实验吸附容量吻合，表明吸附受化学吸附过程控制；Elovich模型亦显示较好线性，棕砂β值较高而棕黏土α值较高，反映表面异质性与初始速率差异。

The Hydraulic conductivity of samples

分层结构中棕砂K_s为1.02×10^?3 cm/s适合作排水层，白黏土上层渗透性低于下层，棕黏土下层更低。棕黏土与棕砂50:50混合层K_s降至3.78×10^?8 cm/s，满足低中放废物近地表处置屏障渗透系数10^?10至10^?7 m/s要求。模拟酸性水(pH 3)与碱性水(pH 10)均提升混合层K_s，酸蚀增加比表面积与孔隙体积致渗透率上升。

Numerical modeling of unsaturated hydraulic conductivity

利用HYDRUS-1D与van Genuchten模型模拟显示，含水率θ增加导致压力水头降低，砂样残余含水率θ_r随细粒增加而升高（BS＞YS＞WS）；棕黏土混砂残余含水率高于白黏土混砂。非饱和水力传导度K(θ)随θ增加而增加，与压力水头呈反比，受颗粒级配分布主导。

讨论部分指出土壤K_s受颗粒级配、矿物成分及酸碱渗流环境影响显著。棕黏土单层渗透性较低可能导致积水于黄砂层，而棕黏-棕砂混合层K_s仅3.78×10^?8 cm/s为最优组合。白黏土因高岭石铝硅酸盐惰性耐酸，棕黏土含伊利石与方解石易酸蚀风化胀缩致K_s增大。酸处理提升黏土比表面积与总孔隙体积从而提高渗透性。K_s受质地、孔径分布、结构与含水率共同调控。未来可通过改性增强黏土对Sr与Co离子吸附活性以优化屏障性能。

结论部分翻译：本研究证明土壤样品的水力传导度受颗粒大小分布、矿物成分及酸性与碱性水渗入等环境条件强烈影响。棕色黏土作为单一层渗透率为6.09×10^?7 cm/s，可能导致水在黄色砂层中排出与聚集。棕色黏土与棕色砂的混合物在本研究中具有最低的K_s值，为3.78×10^?8 cm/s。棕色砂因其14.2%的高细颗粒含量而表现出最低的水力传导度。Sr与Co离子在棕黏土、白黏土与棕砂上的行为更符合伪二阶动力学模型而非伪一阶模型来描述动力学吸附。不同pH值的影响表明，白色黏土含高岭石（主要为铝硅酸盐），因其惰性而对酸具有抗性；而棕色黏土含伊利石与方解石，使其在酸性条件下更易受酸风化与膨胀影响。模拟酸性水增加了棕色与白色黏土与棕色砂混合物中的水力传导度。酸处理提升了黏土的比表面积与总孔隙体积，因此黏土渗透性也随之上升。水力传导度受土壤质地、颗粒与孔隙大小分布、结构及含水率影响。未来工作可对该土壤中的黏土进行改性，以增强其对Sr与Co离子的吸附容量，使屏障层在吸附Sr与Co离子污染物方面更具活性。