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模拟α-高放废液独居石磷酸盐玻璃陶瓷固化体的研究

吕彦杰  
【摘要】: 核能利用产生的放射性废物的安全处置是尤为紧迫和潜在耗费巨大的环境问题之一。高放废液含有大量放射性物质,必须使其稳定固化并与生物圈完全隔离。遗憾的是,高放废液即使经过了一定的分离处理,通常也还是一种复杂多组分体系。它的这种特征使得人们无法用同一配方固化不同成分的高放废液。α-高放废液是经过清华大学TRPO流程分离处理后的我国的一种核废液形式,本文针对其组分特点试图找到一种可对其有效固化的方法。 玻璃陶瓷固化是一种介于玻璃固化和陶瓷固化之间的新型固化方法,世界范围内的研究亦不多见。作为高放废液的固化体,玻璃陶瓷需要由化学稳定性高的晶相和玻璃相组成。为玻璃陶瓷固化体选择高化学稳定性的玻璃相成为制备固化体的关键。本文分别尝试用La_2O_3和Fe_2O_3与H_3PO_4混合作为制备磷酸盐玻璃固化体的原料,通过模拟引入高放废液中的放射性元素的氧化物,采用烧结法成功制备出由独居石相和磷酸盐玻璃相构成的玻璃陶瓷固化体。实验中共调试了两种烧结方法,选用了三组配方,均得到了预期的玻璃陶瓷固化体。 采用X光粉晶衍射技术独居石磷酸盐玻璃陶瓷固化体中的晶相进行鉴定:电子探针技术用来检测样品中各物相的种类、形态、尺寸,分布特征和化学成分;扫描电子显微镜用来表征玻璃陶瓷样品的微区形貌;红外吸收光谱被用来确定磷酸盐相的种属;差示热扫描仪被用来调查固化体中玻璃相的Tg;穆斯堡尔谱技术用来调查固化体中Fe的价态和配位数;全谱直读等离子体发射光谱仪用来测定浸出液中各元素的浓度;MCC-1标准浸出实验用来研究玻璃陶瓷固化体的浸出行为,得出主要结论可归纳为以下几点: (1)以La_2O_3(或Fe_2O_3)与H_3PO_4为原料分别在1230℃(或1270℃)可制得磷酸盐母玻璃,与模拟金属氧化物成分混合后,可在1200℃/4h(或1100℃/4h)条件下获得以独居石晶相和磷酸盐玻璃相为结构的玻璃陶瓷固化体。FTIR分析表明两种固化体中的存在[PO_4]~(3-)基团和少量[P_2O_7]~(4-)基团,而没有[PO_3]~-基团。前者玻璃相有两种:铝铁磷酸盐玻璃和钼铁磷酸盐玻璃,且发现大量的Al和Mo组分不能共存。静态浸出实验证实了该玻璃陶瓷固化体的损失率较低,化学稳定性高。后者至少有三种玻璃相:硅铁磷酸盐玻璃、硅铝铁磷酸盐玻璃和铝铁磷酸盐玻璃等。独居石玻璃陶瓷固化体中Fe主要是Fe~(3+),高自旋,四配位,活性较低,因此样品稳定性较好。MoO_3在制备过程中将有部分挥发;高温条件下磷酸盐对刚玉坩锅有腐蚀作用,致使固化体中存在磷酸铝晶相。 (2)首次选用无烧制母玻璃过程的制备方法,可在940℃/2h条件下成功烧成几何外形良好,结构致密的玻璃陶瓷固化体。本法较前两种方法烧成温度降低近200℃,降低能耗和简化流程的优势非常明显。样品晶相为独居石但发育不均匀,粒径相差可达20倍左右;玻璃相以Fe-Mo-P-O玻璃相为主,且O/P比从3.02~4.20之间均有分布,此外固化体中也有部分未反应完全的SiO_2颗粒(均混研磨引入)。FTIR分析证明固化体样品中含有大量的正磷酸基团[PO_4]~(3-)和少量焦磷酸基团[P_2O_7]~(4-),正磷酸基团主要存在于独居石晶相,焦磷酸基团存在于玻璃相中。煮泡实验表明本体系固化体质量损失几乎为0,视孔率为0.89%,吸水率为0.24%,系目前实验中最低数值,可见该方法制备固化体拥有很高的可行性。 (3)新法制备铁磷酸盐玻璃陶瓷固化体的MCC-1标准浸出实验表明:90℃下浸泡样品14天开始出现破损,28天样品表面附着较多Al-Mo-Fe-P成分葡萄状白色浸出物;0天到14天的浸泡过程中,pH值从6.23缓慢变化到5.49,14天后pH值急速下降到2.14,表明这期间固化体中的碱性离子大量浸出。ICP-OES、EPMA分析表明14天和28天固化体样品均有Mg、K、Ca等水中元素的存在,而去离子水中K、Na、Ca、Mg等水中常量元素浓度从3天到7天基本表现出递减的趋势,这表面固化体与去离子水之间存在着一定的物质交换。14天之前的各元素归一化浸出率均呈现减少趋势,并在14天时各元素归一化浸出率均达到最低值,说明此前固化体存在腐蚀但速度缓慢。浸出液中各元素初始归一化浸出率的顺序为:Al>Mo>Zr>P>Fe>La>Ce,28天时固化体严重破损,各元素归一化浸出率的顺序为:Mo>Al>Fe>P>Zr>La>Ce。对比初始时各元素归一化浸出率的顺序,Mo、Al、Fe、P的浸出率增幅最大。对固化体化学稳定性进行分析后认为玻璃相较少且不均匀,局部容易出现类似[PO_3]~-的结构以及SiO_2对玻璃相造成的分相是固化体出现破损的主要原因。


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