新型无机盐类吸附剂的开发及其在高放废液中对铯的吸附与固化性能研究

The nuclide Cs, contained in high-level liquid waste (HLLW), exhibits very high radioactivity and heat generation. Therefore, the selective separation and immobilization of Cs is an important subject for establishing an advanced nuclear fuel cycle. In this study, we attempt to load ammonium molybdophospahte (AMP) into the porous silica (SiO2) using crystallization method to synthesize a hybrid adsorbent for selective separation of Cs from HLLW and direct calcination of used absorbent as a stable ceramic solid form. The present work deals with the synthesis of AMP loaded silica, characterization, chemical stability, adsorption properties and column chromatographic separation. The thermodynamic and kinetic methods are used to evaluate the adsorption mechanism. Furthermore, the ceramic products immobilizing Cs is prepared and its solidification properties are investigated. Finally, the promising immobilization conditions are discussed. The results of this study are useful for the exploration of new materials for separation and solidification of Cs, and provide a scientific and technological support for the treatment and reutilization of nuclear wastes.

高放废液（HLLW）中重要裂变核素铯（Cs）的放射性强度大、发热量高，会对高放废液的固化处理以及地质处置产生显著影响。本项目以HLLW中核素Cs的高效分离与安全处置为目标，采用孔内结晶技术，将杂多酸盐无机离子交换剂磷钼酸铵（AMP）负载到多孔性SiO2中，合成一种对Cs具有优良吸附性能且易于固化的新型无机盐类复合吸附材料，利用SiO2粒径小、孔径大和孔隙率高的特征，提高复合材料对Cs离子的吸附速度和容量，从HLLW中选择性分离Cs；然后以沸石为固化基材将吸附Cs后的复合材料直接煅烧成稳定的固化体进行处置。探讨吸附/固化机理，评价吸附材料的辐照和化学稳定性，以建立从HLLW中Cs的高效分离-固化流程。研究成果不仅可以丰富Cs的分离和固化理论，同时也为新型分离材料的开发提供一条新思路，为我国的放射性废物处理处置以及潜在资源的再利用提供重要的理论和技术支撑。

本合作项目以解决高放废液中核素Cs的高效处理与最终处置为目标，开发能够迅速去除放射性核素Cs的高性能吸附剂以及确立其安全、有效的固化处置新方法，以建立高效地处理技术体系。.采用旋转蒸发减压法与孔内结晶法相结合的方式成功合成了硅基磷钼酸铵AMP/SiO2吸附剂。吸附剂呈多孔结构，比表面积为72.2 m2/g，孔道内AMP的颗粒大小约为25nm，具有纳米材料结构的特征。硅基磷钼酸铵在3分钟内可去除90%的Cs-137，一次处理放射活度可降低3个数量级。Cs的吸附遵从铯离子与铵根离子以1:1进行离子交换的机理，铵根离子的置换率约为70%，以Cs2NH4MP的吸附形式存在。在模拟高放废液体系下(ORIGEN-79计算组分)，吸附剂对铯的选择性好，吸附率高达88%，对其它共存离子几乎没有吸附效果。.研究了γ辐照吸收剂量变化对吸附剂结构以及吸附性能的影响。经辐照后，吸附剂在峰位110处向左有微小的偏移，随着辐照吸收剂量由0 kGy增加到300 kGy，晶面间距d110由 33.36 nm增加到33.81 nm，但对铯的吸附容量和分配系数的影响不大。将吸附剂浸泡于溶液中进行γ辐照后，发生了辐解反应，检测到NH3 和N2O气体，对吸附剂的吸附容量和分配系数影响较大，吸附容量降低至40%。.为了实现对Cs的稳定固化，向使用后的吸附剂中添加天然丝光沸石和水铝英石为固化基材，开展固化性能研究。经1200度高温烧结后,均形成稳定的结晶相Cs4Al4Si20O48，对铯的固定百分比大于96%。烧结固化体在不同浸出液中，铯的浸出效率仅为10^-6 g/(cm2·day)，化学稳定性好。随着浸出时间的增长，固化体表面发生了沉积和腐蚀现象，生成P型沸石等新物质。采用天然丝光沸石和水铝英石为固化基材，通过冷压成型/高温烧结固化工艺，适合于含铯放射性废物的固化处理。.本项目成功开发了性能优越的新型硅基磷钼酸铵吸附剂，对核素Cs的吸附效果好，并研发了核素Cs的稳定固化工艺，为分离和固化高放废液中核素Cs提供了一套完整的工艺处理技术。研究成果共发表7篇SCI国际期刊论文，申请国内发明专利2项，13人次在国内外会议作报告，培养博士、硕士研究生4名。