离子通过胶凝材料基质或天然岩石的扩散在环境和工程应用中起着关键作用，包括核废料封存以防止有毒放射性核素向环境中淋溶 (Shackelford and Moore, 2013; Savoye et al., 2015; Tyupina et al., 2023)。传统屏障材料如普通硅酸盐水泥（OPC）和粘土矿物如膨润土，因其固化目标离子和阻滞其迁移的能力而被广泛研究 (Malusis et al., 2003; Tachi et al., 2014a, Tachi et al., 2014b; Holton et al., 2016)。然而，这些材料存在热阻性、化学改性和机械耐久性等局限性，这需要探索具有增强性能的替代材料，如地质聚合物（GPs） (Wersin et al., 2006; Krupskaya et al., 2017; Goo et al., 2022, Goo et al., 2023; Song et al., 2022)。
GPs 通过铝硅酸盐前驱体的碱化合成，形成由 Si-O-Si(Al) 链组成的非晶态三维无机网络 (Duxson et al., 2007; Davidovits, 2017; Medpelli and Seo, 2022)。具体而言，基于偏高岭土的 GPs（MKGPs），即用钠（Na）和钾（K）分别碱化的 Na-MKGP 和 K-MKGP，由于其化学和热稳定性、均匀结构以及吸附容量，已成为放射性核素屏障基质的有前景的候选材料 (Cheng et al., 2012; Lizcano et al., 2012; Cantarel et al., 2017)。铯（Cs+）和锶（Sr2+）离子的主要吸附机制因其应用于核工业而被研究，因为它们的放射性同位素，特别是 137Cs 和 90Sr，是 235U 丰富的裂变产物 (Kuenzel et al., 2015; El-Naggar and Amin, 2018; Tan et al., 2019)。Cs+ 和 Sr2+ 表现出独特的物理化学性质，具有不同的水合半径和电荷，显示出不同的吸附行为，其中阳离子交换（CE）反应被突出为主要吸附机制 (Niu et al., 2022; Y?ld?r?m et al., 2024)。同时，碘（I?）的高溶解性和移动性使其成为固化研究的目标阴离子。相反，关于使用 MKGP 固化 I? 的研究报告称未发生固化 (Kearney et al., 2022; Niu et al., 2022)。
与吸附研究并行的是，离子浸出实验被广泛执行，这可以提供关于屏障材料中离子扩散的见解。例如，Razovsky 等人报告了从 MKGP 标本中淋溶得到的 Cs+ 表观扩散系数为 2.8 × 10?14 m2/s (Ofer-Rozovsky et al., 2019)。同时，Jang 等人根据他们使用粉煤灰基 GP 进行的浸出实验，计算了不考虑吸附影响的有效扩散系数，Cs+ 和 Sr2+ 分别为 1.8 × 10?14 m2/s 和 1.3 × 10?18 m2/s (Jang et al., 2016)。Yarusova 等人合成了无定形铝硅酸盐吸附剂（KAlSi?O?）用于 Cs+ 固化，并固化了负载 Cs 的材料，基于浸出结果，作者报告了在 1000 °C 下制备的基质中 Cs+ 的有效扩散系数为 9.07 × 10?18 m2/s (Yarusova et al., 2022)。Panasenko 等人同样评估了 RS-(K,Cs)AlSi?O? 玻璃陶瓷基质，对于在 800 °C 下制备并在 14 天浸出期内评估的样品，报告 Cs+ 的有效扩散系数为 2.41 × 10?14 m2/s (Panasenko et al., 2022)。虽然这些结果为 GP 的屏障性能提供了有价值的见解，但由于初始和边界条件定义不明确，通过 MKGP 的底层离子扩散过程以及耦合的吸附反应仍然难以捉摸，而这些条件是明确推导扩散系数以及同时发生的吸附和解吸动力学的先决条件。
为了理解离子的扩散机制，通常进行设计良好的扩散实验，如入扩散和透扩散实验 (Bourg et al., 2003; Appelo and Wersin, 2007; Glaus et al., 2007)。在入扩散实验中，示踪剂被引入标本的一侧（即边界）并允许其渗透进去。然后将标本切片，并确定示踪剂的深度分布。该方法对于评估渗透深度、与吸附相关的阻滞以及示踪剂的有效扩散行为是有价值的，这些示踪剂在样品中表现出相对较慢的扩散 (Yu and Nerentnieks, 1997; Savoye et al., 2015)。另一方面，透扩散实验涉及将目标示踪剂引入入口储库，并随着时间推移测量它们通过圆盘状标本传递到对面即出口储库的情况，这由根据其浓度梯度的扩散驱动。通过这种方式，初始和边界条件都可以在实验中得到良好定义，以求解扩散方程。同时考虑入口和出口储库中的浓度变化，使得能够推导吸附和解吸的速率常数。因此，结果提供了关于运输行为的关键见解，包括扩散系数以及离子与屏障基质之间的相互作用，如吸附/解吸、包括离子排斥在内的静电相互作用 (Gimmi and Kosakowski, 2011)。因此，与仅基于浸出数据的方法相比，该方法提供了具有代表性的运输现象评估。例如，对于压实的膨润土，这是一种广泛用于放射性废物处置工程屏障的基质，透扩散研究揭示了阳离子如何通过离子交换或表面络合与带负电的粘土表面相互作用，从而导致其阻滞 (Tachi et al., 2014a, Tachi et al., 2014b; Savoye et al., 2015)。
虽然没有以前的研究通过透扩散方法量化了 MKGP 中 I? 的扩散动力学，但在受控离子强度条件下调查 MKGP 中 Cs+ 和 Sr2+ 吸附耦合扩散动力学的研究也很有限。因此，本研究调查了阳离子和阴离子通过 MKGP 基质的扩散，旨在通过同时考虑吸附和解吸反应来揭示它们的扩散机制。这里，选择透扩散来量化它们的突破行为。为此，研究了使用不同碱溶液制造的 Na-MKGP 和 K-MKGP，使用 Cs+ 和 Sr2+ 阳离子和 I? 阴离子，以及氘代氧化水作为水分子示踪剂，为期四个月。同时拟合入口和出口储库中的浓度变化，以确定相关的扩散系数以及吸附和解吸速率常数，然后将它们与文献中报告的传统屏障基质的数据进行比较，以有助于更广泛地了解 MKGP 作为屏障基质的可用性。
