《Environmental Progress & Sustainable Energy》：Review of aluminum solubility behavior in the Hanford 200 South West Area tanks targeted for retrieval
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在汉福德场址200西区西南象限的罐废物中，含铝相的行为主要决定固体积累、回取性能和下游可处理性。本综述综合了历史罐表征数据、实验室溶解研究和工艺相关观察，以评估碱性罐废物条件下控制铝溶解度的热力学和动力学机制。在废物类别中——REDOX泥浆、盐饼和包壳废物——
在汉福德场址200西区西南象限的罐废物中，含铝相的行为主要决定固体积累、回取性能和下游可处理性。本综述综合了历史罐表征数据、实验室溶解研究和工艺相关观察，以评估碱性罐废物条件下控制铝溶解度的热力学和动力学机制。在废物类别中——REDOX泥浆、盐饼和包壳废物——铝主要以勃姆石、三水铝石和铝酸盐盐的形式存在。主要物相在很大程度上取决于来源工艺历史。富含铝的泥浆在典型回取工艺下基本不溶，而盐饼相则表现出更依赖组成的溶解度。现有数据的整合表明，非理想溶解行为和相变反应是加水及回取过程中残留固体的关键贡献因素。对SY-103暂存罐中固体积累的边界分析表明，富含铝的废物，尤其是REDOX来源的泥浆，在保守假设下主导了预计的固体清单，并可能在回取早期超过运行限值。不确定性主要来自固体加载量、物相分布和尺度依赖的沉降行为的变化。本综述提供了一个将矿物相行为与工艺尺度结果联系起来的机理框架，并识别了主要不确定性来源。温度和氢氧化物浓度是铝溶解的关键工艺机制，支持对特定废物类型的表征进行优先排序。这些发现为降低西区罐处理流程图开发中的不确定性以及提高回取期间固体管理的可预测性提供了科学依据。
1 背景
汉福德场址在1944至1989年间生产钚，遗留废物储存于场区储罐中。废物处理与固定化工厂（WTP）位于200东区，而大量废物位于200西区，现有基础设施无法将200W废物转移至200E。三方协议与同意法令设定了M-45-135里程碑，要求到2040年回取200W中22个储罐的废物。初步流程图预测，按建议顺序回取时，固体将在约3年后超过SY农场接收罐（241-SY-103）的运行阈值高度。早期工艺和废物管理历史虽相似，但REDOX工艺废物主要集中于200W，且其中部分储罐曾发生自沸，因而废物特征与200E明显不同。
2 综述方法
本综述采用结构化叙述性综述方法，而非PRISMA式系统综述。证据来源包括罐表征报告、同行评议期刊论文、汉福德技术报告和工艺流程图。研究人员依据价值信息（VOI）与数据质量评级（DQR）对证据进行分类：直接罐表征数据代表性最高；同行评议实验机理严谨但多基于模拟液；技术报告代表实际罐材料但统计严谨性有限；纯流程图推算估计可靠性最低。数据变异和预测不确定性来自化学体系复杂性、离子间相互作用、碳酸盐效应及片钠铝石形成、温度依赖、氢氧化物浓度变化，以及动力学与热力学控制之间的不确定性。
3 铝溶解度的热力学控制
铝在汉福德西区主要以铝酸盐、三水铝石、勃姆石和非晶态混合金属氢氧化物形式存在。溶解度并非总钠浓度的唯一函数，硝酸盐、亚硝酸盐、碳酸盐、磷酸盐等阴离子会通过改变离子活度显著影响平衡。中和含铝酸性REDOX废液时先生成三水铝石；蒸发浓缩可使铝酸钠结晶；碳酸盐存在时可能形成片钠铝石。REDOX废液因高裂变产物含量导致自沸，将三水铝石转化为难溶的勃姆石。铬的存在还可能在蒸发过程中形成更稳定的非晶态含铝相。S-plant（REDOX）、T/U工厂、242-S蒸发器及储罐农场的历史决定了各类废物的物相组成。废液类型包括：曾沸腾的REDOX泥浆（主要为勃姆石）、REDOX包壳废物（三水铝石）、纯盐饼（三水铝石+铝酸盐+铬/铝次生相）、非沸腾REDOX泥浆（勃姆石）、含REDOX的盐类废物，以及R2废物（铁含量较高）。综合框架表明，铝的行为必须结合中和沉淀、蒸发浓缩、热老化和碳酸盐累积的工艺历史来理解。
4 铝物相行为对回取的影响
不同废物类别在物相、溶解性和物理性质上的差异会传导至工艺尺度。边界计算显示，SY-103中持久固体积累主要由REDOX泥浆控制，因为勃姆石在回取稀释条件下难以溶解，且沉降床较为疏松；盐饼类废物中铝酸盐和三水铝石对稀释更敏感，溶解比例较高；REDOX包壳废物虽含大量铝，但因三水铝石沉降致密，占用体积较小。计算还表明，不同废物类别组合后，上下界差异会随回取顺序推进而扩大。该分析属于边界敏感性评估，而非概率性不确定度分析，因为目前缺乏足够的重复测量数据来构建可靠的参数分布。若要提高预测能力，需优先对S-110和S-111等关键储罐开展补充表征。
5 局限性
现有文献对铝溶解度的机理理解和预测能力仍有限。大部分罐具体信息来自历史技术报告和工程研究，而非独立同行评议实验，且存档材料难以完全重现。现有热力学模型对浓缩多组分电解质溶液中铝溶解度的低估可达3至100倍，且缺乏统一的理论框架来定量预测离子缔合、碳酸盐稳定片钠铝石和水活度效应的相互作用。大量研究依赖简化模拟液，未能完全反映真实罐废物的复杂化学基质；不同实验的温度和氢氧化物浓度范围差异极大，难以形成系统一致的认识。
6 总结
铝溶解度行为由物相身份、氢氧化物活度、电解质组成、碳酸盐化学、温度和时间共同控制。预测模型需纳入浓缩多电解质溶液的活度系数校正、亚稳相变（三水铝石?勃姆石?铝酸盐）以及片钠铝石形成与溶解动力学。首要科学问题是确认观测到的高浓度溶解铝究竟代表热力学平衡、动力学持续过饱和还是两者叠加。未来研究应优先开展三项工作：第一，利用存档样品进行X射线衍射（XRD）和扫描电镜结合时间分辨溶液化学的验证实验；第二，系统测量回取相关条件下三水铝石与勃姆石转化及片钠铝石溶解/沉淀动力学；第三，发展非理想热力学-动力学耦合模型，并传播至工艺尺度的蒙特卡罗敏感性计算。
