MgO-SiO2-H2O体系对铯的吸附性能及固化机理研究

摘要

作为清洁能源，核能给人类带来了巨大的经济效益及社会效益，但开发利用过程中产生的核废物造成了严重的环境污染。因此放射性核废物的优化处理已成为世界各国亟需解决的难题。铯（Cs）是中低放射性废物中最常见且危害最大的放射性核素之一。而传统水泥对Cs的固化处置效果不甚理想，因此，有必要选择新的胶凝材料用于对Cs的固化。考虑到MgO-SiO2-H2O（M-S-H）胶凝体系低孔隙率、低放热量、比表面积大等特点，本文采用M-S-H胶凝体系固化Cs，通过物相分析、微观分析及耐久性分析等，研究Cs对其反应进程及稳定性的影响，通过改变吸附溶液的初始浓度、初始pH值和胶凝体系水灰比，研究M-S-H胶凝体系对Cs的吸附效果，同时与普通硅酸盐水泥（OPC）对Cs的吸附进行比较。并通过改变浸出条件、固化体水灰比、成型方式，研究M-S-H胶凝体系对Cs的抗浸出性能，通过对加大Cs掺量固化体进行物相、微观形貌、能谱分析，探究Cs在M-S-H胶凝体系中的存在状态及固化作用机理。具体结论如下： (1)Cs的掺入会降低试样的抗压强度，但仍保持良好的力学性能，掺1.6%Cs的固化体养护90d抗压强度可达28.33MPa，远高于标准GB14569.1-2011中规定的试样抗压强度的要求。掺入Cs对胶凝体系反应进程影响不大，仅在一定程度上减缓M-S-H凝胶的生成速率，未发现新物质的生成。固化体的抗冲击性、抗浸泡性、抗冻融性均满足标准GB14569.1-2011的要求，稳定性良好。 (2)M-S-H胶凝体系水化物粉体对Cs的吸附量随初始浓度的增加逐渐增大。当pH=7时吸附量最大。胶凝体系水灰比较大时，吸附速率较快，平衡吸附量较大。M-S-H胶凝体系吸附Cs的吸附速率较OPC小，但平衡吸附量较大，吸附能力更强。吸附过程遵循准二级动力学模型。 (3)不同浸出液和温度组合条件下固化体中Cs的42d浸出率远低于GB14569.1-2011的要求，累积浸出分数约为标准的4%~30%。浸出液为模拟海水、浸出温度高对浸出效果不利。水灰比为0.7的固化体对Cs的固化效果最佳。压制成型固化体的42d浸出率比浇筑成型固化体高，固化效果欠佳。M-S-H胶凝体系固化体的42d浸出率比OPC固化体以及其他水泥固化体低，固化效果更优。M-S-H胶凝体系对Cs的固化，主要是水化产物的物理包覆作用和吸附作用。 本文研究表明M-S-H胶凝体系对Cs有优良的吸附性能及抗浸出性能，有作为核废料固化基材的潜力，对核能及建材行业的可持续发展及生态文明建设有重要的意义。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 核废料处置的必要性

1.1.2 国内镁资源优势

1.1.3 镁基胶凝材料性能优势

1.2 放射性废物的来源及分类

1.2.1 放射性废物的来源

1.2.2 放射性废物的分类

1.3 放射性废物的处置

1.3.1 放射性废物的处置方法

1.3.2 放射性废物的固化方法

1.3.3 水泥固化的研究进展

1.4 水化硅酸镁质胶凝材料的研究进展及其固化放射性废物的研究

1.4.1 MgO-SiO2-H2O胶凝体系的研究进展

1.4.2 MgO-SiO2-H2O胶凝体系固化放射性废物

1.5 本课题的研究内容与方法

1.5.1 研究内容

1.5.2 技术路线

2 原材料与测试方法

2.1 原材料组成与性质

2.1.1 原材料化学组成

2.1.2 氧化镁活性测定

2.1.3 原材料物相分析

2.1.4 原材料粒径分布

2.2 测试方法

2.2.1 宏观性能分析

2.2.2 微观性能分析

2.2.3 吸附性能测试

2.2.4 浸出性能测试

2.2.5 其他性能测试

3 Cs对MgO-SiO2-H2O胶凝体系反应进程及稳定性的影响

3.1 引言

3.2 试验设计

3.3 试验结果与分析

3.3.1 标准稠度用水量

3.3.2 孔溶液pH值分析

3.3.3 抗压强度

3.3.4 物相分析

3.3.5 TG/DSC分析

3.3.6 微观形貌分析

3.3.7 固化体稳定性分析

3.4 本章小结

4 MgO-SiO2-H2O胶凝体系对Cs的吸附性能研究

4.1 引言

4.2 初始浓度对MgO-SiO2-H2O胶凝体系吸附Cs的影响

4.2.1 试验配比及方法

4.2.2 吸附量及吸附率分析

4.3 初始pH值对MgO-SiO2-H2O胶凝体系吸附Cs的影响

4.3.1 初始pH值的设定

4.3.2 初始pH值对吸附量的影响

4.4 水灰比对MgO-SiO2-H2O胶凝体系吸附Cs的影响

4.4.1 水灰比的设定

4.4.2 水灰比对吸附量的影响

4.5 MgO-SiO2-H2O胶凝体系与普通硅酸盐水泥对Cs吸附性能的比较

4.5.1 试验设计

4.5.2 两种水泥吸附量的比较

4.6 吸附动力学分析

4.6.1 吸附动力学模型

4.6.2 吸附动力学模型拟合分析

4.7 本章小结

5 MgO-SiO2-H2O胶凝体系对Cs的抗浸出性能研究

5.1 引言

5.2 不同浸出条件下MgO-SiO2-H2O胶凝体系对Cs的抗浸出性能研究

5.2.1 浸出条件的设定

5.2.2 浸出条件对Cs的浸出率及累计浸出分数的影响

5.3 固化体水灰比对Cs抗浸出性能的影响

5.3.1 试验设计

5.3.2 水灰比对Cs的浸出率及累计浸出分数的影响

5.3.3 TG/DTG分析

5.4 固化体成型方式对Cs抗浸出性能的影响

5.4.1 试样制备及试验方法

5.4.2 成型方式对Cs的浸出率及累计浸出分数的影响

5.4.3 孔结构分析

5.5 不同水泥固化体对Cs抗浸出性能的比较

5.5.1 M-S-H胶凝体系固化体与OPC固化体抗浸出性能的比较

5.5.2 M-S-H胶凝体系固化体与其他水泥固化体抗浸出性能的比较

5.6 本章小结

6 MgO-SiO2-H2O胶凝体系对于Cs的固化作用机理

6.1 引言

6.2 微观形貌与成分分析

6.3 固化体表征

6.3.1 试验设计

6.3.2 XRD分析

6.3.3 FT-IR分析

6.3.4 SEM-EDS分析

6.4 固化作用机理

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参 考 文 献

致谢

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