碱金属盐改性中低放高硼废液固化水泥水化机理研究

摘要

随着工业技术的发展和人类社会的进步，人类对于能源的需求与日俱增。在过去的几十年里，化石燃料是人类获取能源的主要方式。但由于化石燃料的燃烧会给环境带来诸多污染，同时化石燃料是不可生资源，所以核能将逐渐成为未来经济发展的支柱。在推动核能发展的同时，核废液的处理日益成为国际性的话题。在诸多核废液处理与处置的方法中，采用水泥基材料固化核废液的方法最为普遍。由于核废液中含有高浓度的硼酸，硼酸会延缓水泥基材料的水化进程，对水化后固化体的性能产生影响，使得水泥固化体性能无法完全满足实际的需求。因此，采用合理的技术手段，改进水泥基材料的配方，提升水泥固化体的性能成为研究的关键。 论文采用水泥、膨润土、石灰作为固化材料，研究了含有不同浓度硼酸的模拟核废液对水泥固化体性能的影响。同时，论文通过在模拟核废液中添加锂盐改性剂，提升固化体的性能，使水泥固化模拟核废液的固化体满足工业的需求。另外，论文通过改变模拟核废液中NaOH浓度，调节模拟核废液的pH值，研究不同pH值对固化体性能的影响。 论文采用XRD，FTIR，TG-DSC，SEM，微量热等技术手段，研究不同浓度硼酸及锂盐改性剂对水泥基材料水化进程及水化产物的影响。实验研究主要得到以下结论： （1）在模拟核废液中加入硼酸能够降低水泥固化体的抗压强度，尤其对固化体早期的抗压强度值影响较大。同时，随着模拟核废液中硼酸浓度的提升，固化体抗压强度的损失逐步变大。 （2）XRD检测结果显示硼酸的加入能够促进Ca3(BO3)2的形成，对水泥浆体产生缓凝的效果。同时，BO33-能够与水化产物AFt中的SO42-发生交换，形成具有BO33-的新矿物B-AFt(3CaO·Al2O3·2Ca[B(OH)4]2·Ca(OH)2·30H2O)，但硼酸的加入不改变AFt的微观形貌。 （3）在模拟核废液中加入LiOH或者LiCl均能够提升固化体的抗压强度。同时LiOH和LiCl的加入均存在最佳掺量，当LiOH的掺入量为水泥质量的0.75%时，或者当LiCl的掺入量为水泥质量的0.5%时，水泥固化体在各龄期表现出最佳的抗压强度。 （4）在模拟核废液中加入锂盐能够提升固化体水化早期孔溶液的pH值，促进钙矾石的形成，提高固化体的抗压强度。同时，锂盐的加入提升了混合料的水化速率，提升了水化产物中化学结合水的含量，有利于固化体性能的提升。但锂盐的加入没有改变水化产物的类型。 （5）模拟核废液的pH值影响水泥固化体的抗压强度。随着模拟核废液pH值的提升，水泥固化体各龄期的抗压强度值逐步提升。当模拟核废液的pH值为3时，加入LiOH无法提升固化体的宏观性能；当模拟核废液的pH值为5和7时，加入LiOH能够提升固化体的抗压强度，但不会改变固化体的水化产物类型。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 核能利用现状

1.1.2 核废液废物处理的意义

1.2 核废料固化方法研究现状

1.2.1 水泥固化

1.2.2 玻璃固化

1.2.3 沥青固化

1.2.4 塑料固化

1.2.5 人造岩石固化

1.3 水泥固化研究现状

1.4 硼酸缓凝水泥固化体研究现状

1.5 锂盐改性水泥固化体研究现状

1.6 研究目标与内容

1.6.1 研究目标及意义

1.6.2 研究内容

1.6.2 论文采用的研究方法

第二章 高硼废液对水泥水化影响及机理研究

2.1 引言

2.2 实验原材料

2.3 实验方法

2.3.1 力学性能测试

2.3.2 水化热测试

2.3.3 多晶衍射仪（XRD）物相分析

2.3.4 TG-DSC综合热分析仪

2.3.5 红外光谱（IR）分析

2.3.6 扫描电子显微镜（SEM）测试

2.4 实验配合比设计

2.5 结果与分析

2.5.1 不同浓度硼酸对固化体抗压强度的影响

2.5.2 不同浓度硼酸对混合料水化热影响

2.5.3 XRD分析测试

2.5.4 FTIR对水化产物进行定性分析

2.5.5 TG-DSC定性和定量分析

2.5.6 SEM微观形貌分析

2.6 本章小结

第三章 LiOH对固化体性能影响及机理研究

3.1 引言

3.2 实验原材料

3.3 实验方法

3.3.1 力学性能测试及微观分析方法

3.3.2 孔溶液压滤实验

3.4 不同类型锂盐对固化体性能影响

3.4.1 配合比设计

3.4.2 不同类型的锂盐对固化体抗压强度的影响

3.4.3 实验小结及下一步实验方案

3.5 LiOH对固化体性能影响及机理研究

3.5.1 配合比设计

3.5.2 不同浓度LiOH对固化体抗压强度的影响

3.5.3 不同浓度LiOH对固化体孔溶液pH值的影响

3.5.4 不同浓度LiOH对混合料水化热的影响

3.5.5 XRD对水化产物进行晶相分析

3.5.6 FTIR对水化产物进行定性分析

3.5.7 TG-DSC定性和定量分析

3.5.8 SEM微观形貌分析

3.6 本章小结

第四章 LiCl对固化体性能影响及机理研究

4.1 实验原材料

4.2 实验方法

4.2.1 力学性能测试及微观分析方法

4.3 LiCl对固化体性能影响及机理研究

4.3.1 配合比设计

4.3.2 不同浓度LiCl对固化体抗压强度的影响

4.3.3 不同浓度LiCl对混合料水化热的影响

4.3.4 XRD对水化产物进行晶相分析

4.3.5 FTIR对水化产物进行定性分析

4.3.6 TG-DSC定性和定量分析

4.3.7 SEM微观形貌分析

4.4 本章小结

第五章 pH值对高硼废液固化体性能影响及机理研究

5.1 引言

5.2 实验原材料

5.3 pH值对高硼废液固化体性能影响

5.3.1 配合比设计

5.3.2 pH值对固化体抗压强度的影响

5.4 pH值对固化体性能影响的机理研究

5.4.1 XRD对水化产物进行晶相分析

5.4.2 FTIR对水化产物进行定性分析

5.4.3 TG-DSC定性和定量分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录