地下水中核素镎化学形态模拟研究

摘要

核素镎因其半衰期长、迁移率高等特点成为了重要的核污染物之一，其在地下水中的化学行为较为复杂，了解镎在环境中的存在形态才能获悉其迁移性能及活动规律，是研究地球化学的基本问题之一。近年来计算机模拟在此领域应用越来越广泛。本文采用自己编写的程序并将其应用于我国西北某区地下水中核素镎的化学形态研究。
　　本文将化学热力学平衡分析模式与地球化学条件密切结合，采用元素水文地球化学热力学分析方法，C语言编写程序，模拟计算镎存在形态和各形态所占浓度。程序模拟结果表明在 pH=7.24，t=16℃，Eh=0.345V条件下，该区地下水中镎主要以 Np(V)形式存在，存在形态主要为NpO2+，浓度占96.47％，其次是NpO2CO3-、NpO2(OH)、NpO2SO4-、NpO2(CO3)23-等，浓度分别占1.91%、1.12%、0.186%、0.00155%。极少量镎以 Np(IV)和Np(VI)形式存在，可以忽略不计。同时对仅存在五价镎情况进行了模拟计算，发现当地下水中仅有五价镎时，镎主要存在形式是NpO2+、NpO2(OH)(aq)、NpO2SO4-、NpO2(CO3)-，浓度各占97.4%、2.13%、0.29%、0.18%。
　　采用地球化学程序PHREEQC模拟相同地下水体系中镎的存在形式，模拟结果与本课题自编程序的模拟结果基本一致。镎主要存在形态是 NpO2+、NpO2(CO3)-和NpO2(OH)(aq)，且各形态所占浓度比和自编程序模拟结果相差不超过5%。
　　应用自编程序和PHREEQC考察地下水的pH值、温度、Eh值、镎浓度、HCO3-浓度和SO42-浓度等因素对镎存在形态的影响。模拟结果发现pH值会影响镎在地下水中存在价态和化学形态。当38时，镎以Np(V)的NpO2(OH)形式存在。分析Eh值对镎化学形态影响，自编程序模拟结果和PHREEQC模拟结果二显示Eh值对镎在地下水中的存在形态几乎没有影响，镎始终以五价NpO2+存在，而PHREEQC模拟结果一显示当-5V2V时，镎主要以 Np(V)的NpO2+形式存在。考察镎浓度和 SO42-浓度对镎存在形式影响发现不会影响镎存在形式；HCO3-浓度不影响镎的存在价态却会影响其化学形态。当 HCO3-浓度较低时，镎主要以五价 NpO2+形式存在；HCO3-浓度较高时，镎主要以五价NpO2(CO3)-形式存在。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 关键核素镎

1.3 地球化学程序PHREEQC

1.4 国内外研究现状

1.5 课题研究内容及创新点

第2章 镎水化学模型的确立

2.1 确定研究体系

2.2 建立数据库

2.3 建立化学模型

2.4 建立数学模型

2.5 本章小结

第3章 镎水化学状态计算程序

3.1 质量平衡方程

3.2 氧化还原平衡模块

3.3 沉淀溶解平衡模块

3.4 络合反应模块

3.5 程序结构图

3.6 程序检验

3.7 本章小结

第4章 模拟结果及影响因素分析

4.1 模拟结果

4.2 自编程序模拟结果、PHREEQC模拟结果、文献结果比较

4.3 仅考虑五价镎存在情况

4.4 影响因素分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录