“热—水—力—化学”(THMC)耦合作用下掺铈榍石固化体的化学稳定性研究

摘要

采用固相法反应合成工艺以CaCO3、TiO2、SiO2、Ce2C6O12·10H2O和Al2O3为原料，利用 Ce4+模拟An4+，制备榍石固溶体(Ca0.9Ce0.1Ti0.8Al0.2SiO5)；用水热反应釜模拟深地层处置环境，采用PCT法进行浸泡实验；以无水CaCl2、Ti(OBun)4和TEOS为原料通过液相水热法合成榍石(CaTiSiO5)。借助X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)等分析手段，研究掺铈榍石固溶体在“热-水-力-化学”(THMC)耦合作用下的稳定性，建立归一化浸出率和浸泡时间之间的数学模型，定量描述固化体中各元素在THMC耦合作用下的浸出性能与浸泡时间的变化关系；水热合成榍石研究中采用单因素试验法研究了不同工艺条件对合成榍石粉体的影响。结果表明：固相法合成掺铈榍石固溶体的较佳合成温度为1230℃，保温时间为60min；固溶体在THMC(温度为90-200℃，压力为0.10～1.554MPa，酸碱度pH=5～9)耦合作用下有良好的稳定性；各元素浸泡42d后归一化浸出率的大小顺序为Si>Ca>Al>Ti>Ce，波动范围分别为(0.419～1.086)×10-2g/(m2·d)、(1.89～3.11)×10-3g/(m2·d)、(0.403～0.785)×10-3g/(m2·d)、(0.399～1.01)×10-5g/(m2·d)、(0.25-0.34)×10-5g/(m2·d)；拟合结果表明Ca2+、Ti4+、Si4+、Al3+和Ce4+的归一化浸出率与浸泡时间的拟合方程为：y=A1exp(-x/t1)+A2exp(-x/t2)+y0，该模型能够较为精确的反应各元素在THMC的耦合作用下的浸出规律；水热法合成榍石中，较好的实验方案为：CaCl2、TEOS、Ti(OBun)4为原料时，钙钛硅摩尔比为1:1:0.7，前驱体pH值均为9，水热温度为230℃。