应用小角散射技术研究地质处置介质粘土胶体与铀（VI）在水环境中的相互作用机制

The migration of the deep buried nuclear waste to biosphere is possible. The transport of colloidal clay with actinide nuclides is believed to the driven force of this migration. By using synchrotron radiation Small Angle X-rays/Neutron Scattering combined with other techniques, this proposal aims to study the characteristic structures and kinetic colloidal behaviors of colloidal clays (Inner Mongolia Alaashan clay and Gaomiaozi bentonite), uranium colloids, and their mixtures in aqueous media from nano to submicron scale. By developing synchrotron radiation Small Angle Scattering measuring technique and data inversion analysis method, we plan to characterize quantitatively the fast kinetisc and evolution laws of colloidal clays and uranium colloids under different external conditions (pH, temperature, organic matter and CO2 content). The structural parameters such as aggregation morphology (fractal) and long period distance of colloidal mixing system can be obtained by modeling and fitting. The core mechanism of interaction is going to be explored. This project aims to establish the novel way to investigate the colloidal interactions between clay and uranium (VI) in nanoscale. The study can provide the scientific basis for the prediction of uranium (VI) transportation in geological disposal medium.

地质深埋的核废物存在向生物圈迁移的风险，锕系核素随地下水中土壤胶体的输运是其迁移的源动力。本项目拟使用同步辐射小角散射技术结合其他技术手段，重点从纳米至亚微米尺度原位研究地质处置介质粘土（内蒙古阿拉善粘土与高庙子膨润土）胶体、铀(VI)天然胶体及它们的混合体系在水环境中的结构特征与动态行为。发展同步辐射小角散射测试技术与数据反演分析方法，定量分析粘土胶体、铀(VI)天然胶体及它们的混合体系在不同外部条件（pH、温度、有机物、CO2含量等）下的快速动力学过程与演化规律。通过模型拟合获取胶体混合体系的聚集形态（分形）、长周期距离等特征结构参数，探究其相互作用的核心驱动机制。本项目拟建立的实验方法为研究纳米尺度下粘土胶体与铀(VI)的相互作用提供了新的途径，获得的研究结果可为准确理解铀(VI)在地质处置介质环境中的迁移提供基础科学依据。

高放废物深地质处置库是国际公认的目前确实可行的高放废物处置技术。然而，由于高放废物的长半衰期给处置库的建设、评价和监管带来了前所未有的挑战，如何确保在数以万计的时间尺度内，放射性核素能安全被封锁在处置库中，是科研人员关注的重点。.本工作选用天然钠基高庙子膨润土作为研究对象，在纯水环境中利用重力沉降法提取质量分数为0.5%的膨润土胶体，利用紫外可见光谱技术定量分析胶体的质量分数，并借助小角X射线散射技术，结合动态光散射技术和X射线光电子能谱技术从以下几个方面研究了高庙子膨润土胶体（GMZC）的微观结构特征以及其与U(VI)相互作用后的片层结构与聚集形态：. （1）高庙子膨润土块体在自然环境呈现不规则片层堆叠结构，并拥有三种层间水合结构，分别为0层间水（0W, d-space = 0.92 nm）、1层间水（1W, d-space = 1.27 nm）和2层间水（2W, d-space = 1.46 nm），其中0W结构的d-space可近似看成是GMZ的片层厚度。在吸水溶胀的过程中，由于缺陷的存在，具有0W结构的GMZ颗粒吸水溶胀至1W并沉淀，此外高岭石或石英等矿物成分也沉淀，故溶胀后形成的膨润土胶体主要矿物成分为蒙脱石（占比93.4%）。膨润土胶体依然呈现片层结构，具有3层间水合（3W, d-space = 2.12 nm）结构。.（2）高庙子膨润土胶体颗粒能稳定悬浮于水中，流体力学直径为170 ~ 336 nm，表面带有负电荷，表面Zeta(ζ)电势介于-31.5 mV与-49.2 mV之间，由于胶体具有更高的蒙脱石含量，所以胶体对U(VI)的吸附能力均强于块体，在中性水环境中，U(VI)均发生水解，U(VI)的水解产物为尺寸30 ~ 50 nm的片状粒子， 该水解产物与高庙子膨润土胶体颗粒的反应发生在颗粒表面，水解产物附着于颗粒表面导致ζ电势降低造成胶体颗粒的团聚。在25℃时约15 %胶体颗粒在反应后沉淀，随着温度升高至85℃，反应右移但沉淀并未进一步增多，胶体颗粒的片层结构和聚集形态并未受到永久影响。. 本项目拟建立的实验方法为研究纳米尺度下粘土胶体与铀(VI)的相互作用提供了新的途径，获得的研究结果可为准确理解铀(VI)在地质处置介质环境中的迁移提供基础科学依据。