有机物种类对Pu种态及其在蒙脱石表面吸附/解吸动力学影响机理研究

Given the long half-life of some of isotopes of Pu (e.g., 239Pu, 24100 years) and its acute toxicity, understanding its behavior with buffer mineral materials is important for both evaluating the security and designing long-term nuclear waste repositories. The mobility of Pu depends on its chemical speciation and the biogeochemical conditions found at the source location and along subsequent transport pathways. The speciation and mobility of Pu in aqueous subsurface environments is largely controlled by environmental dissolved organic matters. Most researches, however, focused on the influence of humic substance, and ignored the impacts of microorganism secreta and synthetic organic matter. Hence, the goal of this study is to assess different types of organic matters (fulvic acid, bovine serum albumin, alginate and sodium dodecyl sulfate) could alter Pu speciation, sorption/desorption kinetics and stabilization on the montmorillonite surface. We combine a lab-scale kinetic study with a model-based data interpretation, which including the simulation of Pu/DOM/ montmorillonite sorption kinetics, and Pu speciation in terms of Pu/DOM duality and Pu/DOM/ montmorillonite ternary complexation. This will allow us to determine differences in speciation transfer and sorption behavior of Pu in surrounding of nuclear waste repositories.

Pu等核素在地质隔离系统中的迁移规律是评价核废物处置库安全性的重要因素，了解Pu与回填材料之间的相互作用对于设计长寿命处置库具有重要意义。研究发现，地下水体中一些有机物（如腐殖质、微生物分泌物、人工合成有机物等）可以改变Pu的氧化态或与其形成复杂的络合物/复合物，从而影响Pu与矿物之间的相互作用。目前的研究主要集中于腐殖质类物质对Pu与矿物相互作用的影响，对常见的微生物分泌物和人工合成有机物的作用鲜有研究。因此，本课题的研究重点是以富里酸、牛血清蛋白、藻酸盐和十二烷基磺酸钠为代表区别研究不同种类的有机配体对Pu种态以及其在蒙脱石表面吸附/解吸动力学影响规律。利用先进的分析手段分析Pu的氧化态；模拟体系中Pu的化学形态；探讨Pu、不同有机物和蒙脱石之间的相互作用机制；考察不同初始种态的Pu在环境中迁移规律的差异；为放射性废物处置库运用评定模型提供理论支持和技术指导。

项目选取了富里酸、牛血清蛋白、海藻酸及十二烷基苯磺酸钠分别代表环境中常见的有机物类型（腐殖酸类、蛋白质类、多糖类和人工合成有机污染物）。研究表明不同有机物类型对Pu在蒙脱石表面的吸附具有不同的影响。腐殖酸和蛋白质的存在会增加Pu在蒙脱石表面的吸附，从而降低其在水环境中的溶解性及迁移性，而多糖类及表面活性剂类物质则抑制了Pu在蒙脱石表面的吸附，尤其是多糖类物质。此外，有机物与矿物颗粒之间的赋存形态也影响着Pu在蒙脱石表面的吸附。当有机物先于Pu吸附于矿物颗粒表面是，其对Pu-蒙脱石之间的相互作用与上述描述一致。而对于已经吸附在蒙脱石表面的Pu，有机物的加入会促使Pu从蒙脱石表面解吸，重新释放入水体中，从而增加其在环境中的风险。此外，采用As来代表Pu的类比物，详细探讨了其与不同类型的有机质之间的络合作用。结果表明，不同组分的DOM对As表现出明显不同的结合能力。腐殖质类物质对As的亲和力最大，其次是长链化合物和蛋白质类物质。在给定的pH值范围内，由于配体水解和消除H+的竞争性结合，pH值的增加提高了As-DOM的络合度。所有选定的金属离子(Fe3+、Zn2+和Ca2+)促进了As-DOM的络合，而PO43-由于竞争了As的结合位点，从而增加了系统中的游离As浓度。