低浓度含铀废水微电场诱导磁性矿化固定铀的机理研究

Immobilization of uranium into artificial ores for long-term safe storage by mineralization is a research focuse in recent years. However, the main obstacle associated with mineralization technological development are high energy consumption, long reaction time and unstable mineralization products. Thus, rapidly incorporation of uranium into magnetite induced by micro-electric field condition under normal temperature and pressure was proposed in this project. Based on the key scientific issues of "the stable formation mechanism of magnetite and its controlling factors under the action of micro-electric field" and "the microscopic mechanism influence of magnetite crystallographic characteristics on ion-selective doping", the magnetite crystalline properties and magnetite stablility formation control factors will be determined by using electrochemical and mineral crystallography methods. Additionally, we will clarify the morphological distribution and transformation rules of uranium on the magnetite surface using water phase chemical equilibrium and adsorption theory. On these basis, we will reveal the mechanism of the local structural characteristics of magnetite crystals on ion selective doping through material-based crystals doping and crystallography. Moreover, we will evaluate the structural stability of uranium-bearing magnetite in complex environments by leaching toxicity analysis method. This research is expected to provide a scientific evidence for efficient green treatment of low concentration uranium-bearing wastewater.

将铀通过矿化手段固定于人造矿石中使其长期安全存储是近年来的研究热点，而矿化过程的能耗高、反应时间长、矿化产物不稳定是限制该技术发展的主要瓶颈。本项目提出了基于微电场诱导磁性矿化固定铀的研究思路，能在常温常压下将低浓度的铀快速固定于磁铁矿中。研究将围绕“微电场作用下磁铁矿的稳定形成机制及其控制因素”和“磁铁矿的晶体化学特征对离子选择性掺杂的微观影响机制”两个关键科学问题，采用电化学和矿物结晶学的手段，研究磁铁矿的结晶特性，确定磁铁矿稳定形成的控制因素；基于水相化学平衡理论和吸附理论，阐明铀在磁铁矿表面的形态分布特征及转化规律；以此为基础，通过材料学的晶体掺杂方法，并结合晶体化学的相关理论，在原子层面上揭示磁铁矿晶体的局域结构特征对离子选择性掺杂的影响机制；借鉴浸出毒性的分析方法，评价含铀磁铁矿在复杂环境下的结构稳定性，提出有效的控制措施，为低浓度含铀废水高效绿色矿化处理提供科学依据。

将废水中的铀掺杂进稳定的人造矿物晶格是有效降低铀在生物圈的迁移能力，解决铀放射性和化学毒性面域污染的一个新措施。本项目提出了利用微电流诱导废水中低浓度铀掺杂进磁铁矿晶格的电化学新方法。在微电流诱导下，严格控制溶液中离子浓度和梯度pH，可实现金属铁稳定快速转化成磁铁矿，并将铀同步掺杂进磁铁矿晶格。铀在磁铁矿晶格中以U(IV)或U(VI)形式同时取代三价铁和二价铁，并占据正八面体空位，研究还发现钙离子能够与铀同时掺杂进磁铁矿晶格，并提高了铀的掺杂稳定性，铀的这种掺杂方式可为控制铀的掺杂含量和稳定性提供了更多的调控空间。实验条件下铀的掺杂量达到了1.54%，远高于一般天然铀矿石含量（约0.7%）。铀在磁铁矿中的分布由非稳定的表面吸附态铀（约5%），亚稳态的掺杂铀（约25%）和稳定态的掺杂铀（约70%）组成。含铀磁铁矿在长达400天的酸碱浸出后，铀的溶出率约为15%-18%，而铁的溶出率仅为2-2.5%，但是含铀磁铁矿经过高温相变之后铀的形态转变成八氧化三铀，其酸浸溶出率增加至80%，为铀的进一步分离回收提供了可能。基于以上研究结果，设计了新型低能耗电化学矿化设备并将其用于含铀废水的处理，铀去除率可达95%以上。同时探索了太阳能驱动原位矿化修复地下水铀污染的模拟实验，在完全利用太阳光照的条件下实现了模拟地下水中铀的连续稳定矿化，研究成果为含铀废水的高效绿色处理或地下水污染的修复提供了新的思路。