溫志堅

（核工業(yè)北京地質研究院，北京 100029）

大氣條件下高廟子鈉基膨潤土化學緩沖特性研究

溫志堅

（核工業(yè)北京地質研究院，北京 100029）

深地質處置目前被國際上公認為是處置高放廢物的最有效可行的方法。我國采用多重工程屏障系統(tǒng)和適宜的地質體共同作用來確保與生物圈的安全隔離。緩沖材料是高放廢物重要的工程屏障材料之一，我國選用高廟子鈉基膨潤土作為緩沖材料的基礎材料。膨潤土作為緩沖材料的一個重要性能表現(xiàn)為緩沖孔隙水的化學變化。介紹了GMZ-1鈉基膨潤土大氣條件下與蒸餾水的反應試驗，并對試驗結果進行了討論。批式試驗反應溶液中鈉離子來源于鈉基膨潤土層間陽離子和礦物溶解，鎂離子來源于鈉基膨潤土層間陽離子，鉀離子和鈣離子來源于礦物溶解，相關研究認識對于高放廢物處置庫近場核素遷移研究和評價工程屏障的長期穩(wěn)定性具有重要意義。

鈉基膨潤土；化學緩沖特性；孔隙水；高廟子

高放廢物的特點為放射性水平高，發(fā)熱量大，并含有對生物極有害的α放射性的長壽命核素。深地質處置目前被國際公認為是處置高放廢物的有效方法［1］。中國高放廢物地質處置庫概念模型是一個多重屏障系統(tǒng)。從里往外依次為：（1）廢物固化體；（2）廢物容器及其外包裝；（3）緩沖/回填材料；（4）處置庫圍巖。膨潤土是緩沖材料的主要組成材料。內蒙古高廟子膨潤土礦床被選為我國處置庫緩沖/回填材料的供應基地［2］。 GMZ-1鈉基膨潤土經性能分析可以作為我國緩沖材料研究的基礎材料［3-4］。膨潤土化學緩沖特性是基礎參數［5］，因為該性能參數是預測核素近場溶解性、建立吸附數據庫的基礎，它對于評價長期水巖反應的影響具有重要意義，同時對于解釋批式吸附參數與擴散試驗參數也具有重要意義?；瘜W緩沖特性的研究方法之一為批式試驗［6］。本文介紹了內蒙古高廟子鈉基膨潤土與蒸餾水在大氣條件下不同固液比（10、 100、 200 g·L-1）的批式反應及其試驗結果，并在此基礎上對高廟子鈉基膨潤土化學緩沖特性進行了初步分析。

2 試驗

試驗樣品GMZ-1采自內蒙古高廟子膨潤土礦床地表以下約40 m，堿性系數為1.14，屬于鈉基膨潤土。樣品經充分混合后制成大樣并破碎至200目，其化學成分見表1。樣品中蒙脫石含量高 （72.5%），雜質礦物以石英（11.7%）、 方英石（7.3%）和長石（4.3%）為主，含有少量的方解石（0.5%）和高嶺石（0.8%）。

實驗條件為：黏土——GMZ-1膨潤土100%；實驗溶液——蒸餾水；固液比——10、100、200 g·L-1；實驗環(huán)境——大氣；試驗溫度——室溫；實驗時間——15 d；重復性——3次。參數測定：（1）批式反應后反應液離心分離前后pH值測定；（2）上清液成分分析（Al、Ca、Fe、K、 Mg、 Na、Si、 Cl-和 SO42-）； （3）批式反應后固相成分分析 （Na2O、K2O、CaO、MgO、 S總、 CO2、 Cl-和 SO42-）； （4） 批式反應后固相中可浸出陽離子測定（CEC、LC）。

3 試驗結果及討論

3.1 pH值測定

不同固液比條件下，GMZ-1膨潤土與蒸餾水批式反應后pH值測定結果見表2。

由表2可見，對比不同固液比200、100 g·L-1到 10 g·L-1， GMZ-1 膨潤土與蒸餾水批式反應后懸濁液pH值有遞增趨勢，這與膨潤土具有化學緩沖效應相一致［6］。而離心分離后，不同固液比懸濁液離心所得上清液中pH值相差不大，這是由于離心分離后，膨潤土的緩沖作用減弱所致。由于酸堿度是核素遷移與沉淀的重要化學參數，上述試驗結果表明，膨潤土的存在可以起到有效減緩混合體系酸堿度升高，使混合體系保持在一定酸堿度范圍內，有利于工程屏障長期有效地發(fā)揮作用。

表1GMZ-1化學成分Table 1 Chemical component of GMZ-1

表2 pH值測定結果Table 2 Results of pH measurement

表3 批式反應后上清液中化學成分分析結果Table 3 Chemical components in solution separated from bentonite-water mixture after batch tests

圖1 批式反應后上清液中化學成分隨固液比變化曲線圖Fig.1 Variation of chemical components in solution separated from bentonite-water mixture with different solid-to-liquid ratios

3.2 液相成分分析

不同固液比條件下，GMZ-1膨潤土與蒸餾水批式反應后，上清液中化學成分分析結果見表3、圖1。

由圖1和表3可見，高廟子鈉基膨潤土GMZ-1與蒸餾水批式反應后，溶液中Na、K、Ca、Mg、Fe、Cl-和SO42-濃度總體上隨固液比增加（10、 100 和 200 g·L-1）而增大， Si、 Al濃度變化稍有不同，其濃度在100 g·L-1固液比時最大，200 g·L-1固液比時濃度次之，10 g·L-1固液比時濃度最小。

3.3 固相成分分析

不同固液比條件下，GMZ-1膨潤土與蒸餾水批式反應后固相成分分析結果見表4。固液比為10 g·L-1的反應體系由于離心分離所得固體樣品量不足化學分析重量的要求，故沒有這部分數據?？山鲫栯x子分析結果見表5。

由表4可見，膨潤土與蒸餾水批式反應后，200、100 g·L-1試驗條件下固體樣品中含水量從天然含水量的8.04%分別增加至44.3%和51.0%；固相成分總體上Na2O、K2O和CO2降低，而MgO增加，CaO在100 g·L-1固液比時最大。S總、Cl-和SO42-在探測限范圍內沒有發(fā)現(xiàn)差別。上述成分的變化特征是反應體系中發(fā)生的離子交換作用的直接結果，即鈉、鉀離子被鈣、鎂離子交換，導致固相成分總體上Na2O、K2O降低和MgO增加。離子交換作用可以用下式［7］表示：

表4 批式反應后固相中化學成分分析結果Table 4 Chemical components in solid separated from bentonite-water mixture after bench tests

表5 可浸出陽離子分析結果Table 5 Measurement results of leachable cations

GMZ-1膨潤土與蒸餾水批式反應過程中陽離子分配通過表5中可浸出陽離子分析結果和表3批式反應后上清液中化學成分分析結果計算而獲得，見表6。

表6 批式反應溶液中陽離子分配Table 6 Distributions of cation batch solution

由表6可見，批式反應溶液中鈉離子來源于鈉基膨潤土層間陽離子和礦物溶解，鎂離子來源于鈉基膨潤土層間陽離子，鉀離子和鈣離子來源于礦物溶解。

4 大氣條件下高廟子鈉基膨潤土化學緩沖特性分析

膨潤土是由含水的鋁硅酸鹽礦物組成，主要成分是SiO2、Al2O3和H2O。高廟子鈉基膨潤土中組成礦物蒙脫石占70%以上，蒙脫石是由二層硅氧四面體和夾在中間的一層鋁氧八面體及吸附于晶層間的水化陽離子構成的結構單元。離子、水和鹽類以及幾乎所有有機物等可在適宜條件下進入蒙脫石礦物的層間，形成復雜的蒙脫石礦物無機鹽復合體或蒙脫石礦物復合體。初始態(tài)含水的膨潤土主要離子為 Na+、 Ca2+、 Cl-及少量 K+、 Mg2+、SO42-和HCO3-，當膨潤土遇到與其孔隙水化學組成不同的地下水時就會發(fā)生離子交換，以達到濃度平衡和消除離子強度梯度。

緩沖材料的化學性能會隨著膨潤土與水的反應而發(fā)生改變。高廟子鈉基膨潤土與蒸餾水批式反應后，溶液中Na、K、Ca、Mg、Si、 Al、 Fe、 Cl-和 SO42-濃度總體上隨固液比增 加 （10、 100和 200 g·L-1） 而 增 大 ， Si、 Al濃度變化稍有不同，其濃度在100 g·L-1固液比時最大，100 g·L-1固液比時濃度次之，10 g·L-1固液比時濃度最小。

膨潤土與水接觸后可能發(fā)生的物理化學過程包括：離子交換、酸堿反應、溶解-沉淀和部分礦物的氧化反應，pH值變化范圍從近中性到偏堿性［6］。高廟子鈉基膨潤土與蒸餾水批式反應后，從微觀機理分析，離子交換、酸堿反應、溶解-沉淀和部分礦物的氧化反應都是存在的。鑒于高廟子鈉基膨潤土雜質礦物種類較簡單，批式反應過程中，主要的微觀過程為溶解-沉淀和陽離子交換。由于是在大氣條件下，陽離子交換以蒙脫石中的鈉、鉀離子被鈣、鎂離子交換并進入孔隙水為主，且孔隙水pH值表現(xiàn)為升高的特征。溶解主要表現(xiàn)為雜質礦物，如長石、碳酸鹽等進入溶液的過程；沉淀則是在一定物理-化學條件下，溶液中離子的重新組合形成新的難溶相，其微觀過程與特征將通過后續(xù)開展的條件試驗來研究。

致謝：本研究工作是在MNEP計劃支持下完成的。相關研究得到日本核燃料循環(huán)發(fā)展研究院地層處置研究中心油井三和、神德敬、 武和吉田泰等研究人員的大力協(xié)助。筆者在此一并致以衷心謝意！

［1］ KASAM.Nuclear waste:State-of-the-Art Reports 2001［M］.Stockholm： KASAM （Swedish National Council for Nuclear Waste）， 2001:195-228.

［2］徐國慶，李永利，顧綺芳，等.膨潤土礦床篩選［C］//王 駒，范顯華，徐國慶，等主編.中國高放廢物地質處置十年進展.北京：原子能出版社，2004:318-328.

［3］溫志堅.中國高放廢物深地質處置的緩沖材料選擇及其基本性能［J］. 巖石礦物學， 2005， 24（6）:583-596.

［4］ Wen Zhijian.Physical property of China’s buffer material for high-level radioactive waste repository［J］.Chinese JournalofRock Mechanicsand Engineering， 2006， 25（4）:794-800.

［5］ JNC （Japan Nuclear Cycle Development Institute）.Project to establish the scientific and technical basis for HLW disposal in Japan［R］.JNC TN1410 2000-003，2000:H12.

［6］ MichaelH Bradbury， BartBaeyens.Porewater chemistry in compacted re-saturated MX-80 bentonite:Physico-chemicalcharacterisation and geochemical modeling ［R］.Switzerland:PSI Bericht Nr.02-10，2002:1-2.

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Study on chemical buffering property of GMZ sodium bentonite under atmospheric condition

WEN Zhi-jian
（Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

At present，the deep geological disposal is regarded as the most reasonable and effective way to safely disposal the high-level radioactive wastes in the world. The conceptual model of HLW geological disposal in China is based on a multi-barrier system that combines an isolating geological environment with an engineered barrier system. The buffer is one of the engineered barrier materials and GMZ Na-bentonite is selected as the basic material. One of the most important functions related to buffer is the chemical buffering，which means buffering the changes in pore water chemistry. This paper presents the experiments of GMZ-1 Na-bentonite reacted with distilled water under atmospheric condition. The batch tests and results discussion are reported. Na and Mg in batch test solution are co-provided by interlayer cations of montmorillonite and solids dissolution，K and Ca are provided by dissolution of solids. The result is a pre-requisite for predicting near-field nuclide migration and assesses the long-term stability of the engineered barrier materials.

Na-bentonite； chemical buffering； pore water； GMZ-1

TL942+2

A

1672-0636（2012）03-0168-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2012.03.008

2012-03-02

溫志堅（1968—），男，山西清徐人，博士，高級工程師（研究員級），主要從事工程材料研究與環(huán)境影響評價。E-mail:wenzhijian@hotmail.com