中性富氧环境中铁铀共沉淀的机理与稳定性研究

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铀(U)是核电的主要燃料,其储备和供应水平是核电事业得以持续发展的基础。同时,铀具有天然放射性和生物毒性,在环境中大量存在会对人体健康造成严重威胁。Fe(Ⅱ)是自然界中常见的组分,随着环境条件的变化极容易形成Fe(OH)3胶体或铁的氧化物,这些形态改变的过程势必会对U(Ⅵ)在环境中的迁移、释放产生较大影响。因此,本论文以中性富氧环境下Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)与U(Ⅵ)之间的相互作用过程为研究对象,通过批反应实验、酸溶实验和常见表征分析手段,研究了Fe(Ⅱ)-U(Ⅵ)共沉淀作用对U(Ⅵ)固定效率的影响,以及Fe(Ⅱ)-U(Ⅵ)共沉淀的机理与稳定性,主要得出以下结论:(1)Fe(Ⅱ)与U(Ⅵ)在中性富氧条件下的共沉淀作用对溶液中U(Ⅵ)的固定效率可达到96%以上,比中性无氧环境高出约16%。通过形成Fe(OH)3胶体,少量Fe(Ⅱ)即可实现对U(Ⅵ)的高效固定,当Fe/U摩尔比为2.13时,U(Ⅵ)的固定效率达到最高值。(2)Fe-U共沉淀物在弱酸性和富氧环境中具有较强的稳定性。固相铀的溶解性比固相铁要强,当沉淀物在[H+]=0.01 M的溶液中酸溶24 h后,约70%的铀可被析出,但溶解释放的铁仅有15%,这为沉淀物中铀的后续分离与循环利用提供了很大的可能性。(3)Fe(Ⅱ)与U(Ⅵ)在中性富氧条件下的发生共沉淀反应后(Fe/U摩尔比为2.13),铁主要是形成了低结晶度的铁氧化氢氧化物FeO(OH),U(Ⅵ)主要以三种形式发生沉降:1)16-20%的铀形成离散的结晶铀酰相(如变柱铀矿或铀酰氢氧化物)被吸附在沉淀物表面;2)52-56%的铀以铀酰组分存在于铁氧化物内部通道和间隙中,被铁氧化物颗粒所包裹;3)27-29%的铀以U(V)和U(Ⅵ)的形式被嵌入FeO(OH)晶体结构中。综上,本论文研究结果表明,Fe(Ⅱ)与U(Ⅵ)在中性富氧条件下的共沉淀作用可实现对水体中的U(Ⅵ)的高效富集,且沉淀物在自然环境中的稳定性较强。本论文的研究成果在一定程度上为水体中U(Ⅵ)的高效富集提供了理论依据,该方法在液相U(Ⅵ)的固定方面具有一定的应用前景。
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