1、畢業(yè)(設計)論文 題 目： 混合緩沖材料吸附水中Pb2+的研究 Tittle：Study on Adsorption of Pb2+ with Bentonite-sand 學生姓名： 劉 明 華 學 院：化學生物與材料科學學院 專 業(yè)： 材料科學與工程 班 級： 080572 學 號： 08057242 指導老師： 羅 太 安 二零一二年六月摘 要本文研究石英砂與膨潤土組成的混合緩沖材料吸附水中Pb2+的工藝。結(jié)果表明，混合緩沖材料的吸附行為依賴于溶液的pH值、吸附溫度、初始離子濃度和吸附時間。在低pH值時主要是H+與Pb2+競爭吸附位。pH值在35時，基本的吸附機制是離子交換的過程。在高p

2、H值（>6）時，在混合緩沖材料表面形成氫氧化鉛的吸附或者沉淀。隨著吸附溫度的增加，去除率增加，當溫度到達30時，去除率達到最大。當Pb2+濃度為5g/L時，混合緩沖材料對Pb2+達到99.3%。當吸附時間4h時，混合緩沖材料的去除率達到86.4%。關鍵字：膨潤土；石英砂；吸附；去除率；混合緩沖材料ABSTRACTThe paper studies that the buffer material which is made up of the quartz stand and bentonite adsorpt Pb2+ in the water. The result show tha

3、t mixed adsorption behavior of butter material relies on the solution of the pH value, adsorption temperature, initial ion concentration and adsorption time. In the low pH value is a mainly completion adsorption of H+ and Pb2+. When the pH value is 3-5,basic adsorption mechanism is the ion exchange

4、process. In the high pH value(>6), in the surface of the mixed buffer material form adsorption of hydrogen lamps or precipitation. Along with the increase of temperature adsorption ,removal rate increase, when the temperature reached 30, removal rate increase when the concentration of the Pb2+ fo

5、r 5g/L, the removal rate of Pb2+ up to 99.3%, when adsorption time for 4 hours mixed buffer material to removal rate of Pb2+ up to 86.4%.Keyword: bentonite; quartz sand; adsorption removal; buffer material mixed目 錄緒論 11.1 高放廢物處置的必要性 11.1.1 廢物的分類 11.1.2 高放廢物處置庫工程材料 11.1.3 高放廢物的主要來源及危害 11.1.4 國內(nèi)外高放廢物處

6、置研究進展 21.2 緩沖材料在高放廢物處置庫中的作用和地位61.2.1 高放廢物的處置模式 61.2.2 緩沖材料的作用及地位 61.3 膨潤土的結(jié)構(gòu)及特性 81.3.1 膨潤土的結(jié)構(gòu) 81.3.2 膨潤土的特性 81.4 本文研究的目的及主要內(nèi)容 112.實驗部分 122.1 主要儀器及試劑 122.2 實驗方案 122.3 測試方法 123.結(jié)果與討論 133.1 時間對混合緩沖材料水中鉛離子去除率的影響 133.2 鉛離子濃度對混合緩沖材料水中鉛離子去除率的影響 133.3 pH值對混合緩沖材料水中鉛離子去除率的影響 143.4 溫度對混合緩沖材料水中鉛離子去除率的影響 153.5 混

7、合緩沖材料對Pb2+的吸附機制 154.結(jié)論 16致 謝 17參考文獻 18.緒論1.1 高放廢物處置的必要性 廢物的分類與其它工業(yè)一樣，核工業(yè)的生產(chǎn)、研究以及核技術應用也會產(chǎn)生大量的廢物，即“核廢物”，或稱“放射性廢物”1。按放射性的水平分類，核廢物分為低廢物、中放廢物和高放廢物。目前對于低、中廢物的發(fā)黑，已有較成熟的技術。而對于高放廢物，由于其含有毒性極大、半衰期很長的放射性核素，對其安全處置是一個世界性難題。核工業(yè)的發(fā)展和人類核安全意識增強，安全處置高放廢物已成為核工業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保護人民健康和保護環(huán)境的一項長期戰(zhàn)略任務。因此，核廢物的安全處理與最終處置，在很大程度上影響著核工業(yè)的前途和

8、生命力，制約著核工業(yè)特別是民用核工業(yè)的進一步應用與發(fā)展，高放廢物處置顯得越來越有必要。1.1.2 高放廢物處置庫工程材料 (1）廢物固化體高放廢物從來源上主要分為兩個類型：乏燃料和后處理廠排出的高放廢液，經(jīng)蒸發(fā)、濃縮減容再固化后產(chǎn)生的高放廢物。廢物固化體是指后處理廠排出的高放廢液的固化產(chǎn)物。目前固化介質(zhì)以既穩(wěn)定且浸出率低的硼硅酸鹽系的玻璃為研究對象，并在實際處置中使用。此外，也在研究更為穩(wěn)定且耐浸出性好的陶瓷和合成礦物等。（2）廢物罐廢物罐可分為運輸容器和貯存容器。把固化體裝入運輸容器，運送到固化體貯存設施的接收熱室，取出固化體，將固化體裝進貯存用的包裝容器，焊接密封，這樣來進行其外包裝，然后

9、，將此固化體放入混凝上的貯存容器，再運往貯存場所。 （3）外包裝外包裝圍在廢物罐外側(cè)，其功能在于借助于它的完整性和耐腐蝕性確保高放廢物在規(guī)定的有效期內(nèi)不向外層屏障層遷移。外包裝的重要性在于目前的技術手段不一定能保證廢物罐對高放廢物的長期有效屏蔽，但用外包裝可以確保1000a以上的完整性。外包裝材料的性能以耐腐蝕為主。外包裝材料的材質(zhì)目前是碳鋼和鑄鐵等。此外，有些國家高放廢物處置庫中廢物也包括有超鈾廢物，這種情形下，也考慮使用石墨和炭化物材料作外包裝。1.1.3 高放廢物的主要來源及危害高放廢物主要是直接處置的乏燃料以及乏燃料后處理產(chǎn)生的高放廢液及其固化體2。在各式反應堆中，核燃料經(jīng)過15年的照

10、射過程后需移出堆外，任何一種核反應堆在正常運行期間，核燃料中會生成大量裂變碎片，其中很多碎片對中子有較大的俘獲截面，大部分中子被消耗在與裂變碎片的反應中，最終將使正當?shù)逆準竭^程不能繼續(xù)維持，消耗核燃料元件內(nèi)副產(chǎn)物的積累，將生成乏燃料。目前，世界上有441臺正在運行的核電機組，每年產(chǎn)生1萬多噸重金屬的乏燃料，只有不足1/3的乏燃料接受了后處理，以對其中的易裂變材料進行循環(huán)利用，其余則放置在中間儲存設施中，全球儲存約有1.9x105噸重金屬乏燃料。到2010年我國大陸積累的乏燃料將達到1x103 噸。在2020年以后，預計每年都將卸下近千噸乏燃料，由此而產(chǎn)生大量的高放廢物，其具有放射性強度高、發(fā)熱

11、量大、毒性大、半衰期長的特征。高放廢物的放射性強度自形成到衰變至普通鈾礦床水平往往需要數(shù)百萬年的時間。這些高放廢物若不加以安全處置，將嚴重危及人類生存環(huán)境。核廢物最大的特點是帶有電離輻射源，放射性核素釋放到環(huán)境中會對生物圈造成輻射照射。若是輻射到人體，會引起人體細胞的病變和破壞，降低細胞的再生能力，甚至引起遺傳因子的變異，放射性物質(zhì)對人的照射半致死劑量約為400rad，照射650rad即可造成死亡;照射劑量150rad以下，死亡率下降為零。但在這種情況下并不是沒有損傷作用，往往在20年后才能表現(xiàn)出來一些癥狀，主要表現(xiàn)為白血病、骨癌、肺癌及甲狀腺癌等病癥。因此，高放廢物的安全處置是環(huán)境保護的重要

12、組成部分，也一直是困擾核電工業(yè)全面發(fā)展的關鍵因素，有核國家對高放廢物的安全處置問題都極為重視。1.1.4 國內(nèi)外高放廢物處置研究進展1.1.4.1 美國美國共有104個民用反應堆正在運行3,4，其乏燃料連同軍事高放廢物將在一起最終處置。據(jù)預測，到2030年，美國將積累9.0×103噸國防高放廢物和8.5×104噸從商用反應堆中卸出的乏燃料。美國的高放廢物地質(zhì)處置計劃由能源部負責執(zhí)行，其下屬的民用放射性廢物管理辦公室以及尤卡山場址特性評價辦公室具體負責實施，包括運輸、容器開發(fā)、處置庫設計、場址評價以及申請許可證和建造、運行等。該國采取乏燃料直接處置的技術路線，處置庫概念設計為

13、平巷型，位于地下水位以上的包氣帶中，處置后的乏燃料可在100a內(nèi)回取。美國的高放廢物處置庫侯選場址位于內(nèi)華達州的尤卡山，到目前為止，詳細的場址評價工作已完成，性能評價也已完成。美國能源部已經(jīng)向美國核管署提交建庫申請，預計核管署將用3a時間評審完畢。美國整個處置計劃約需587億美元，經(jīng)費主要來自電費的提成，每年能收取費用約6億美元。美國原計劃于1998年建好尤卡山處置庫，后因種種原因，到2010年左右才建好處置庫。內(nèi)華達州尤卡山場址是目前惟一的候選場址，歷經(jīng)近20a的大規(guī)模詳細研究，已完成場址可行性評價報告和環(huán)境影響評價報告。2002年7月，美國總統(tǒng)布什已批準內(nèi)華達州的尤卡山場址。美國由于超鈾廢

14、物量比較大(共有1.7x105m3)故在新墨西哥州的地下巖鹽層中建造了“廢物隔離中間工廠”(也稱WIPP處置庫)，用于存放、處置超鈾廢物。該處置庫已建設好，己于1999年3月開始接受美國軍工超鈾廢物。美國高放廢物處置庫工程自1976年開始著手進行選址工作，至2010年處置庫建成，需經(jīng)過4階段，約需35a的時間。1.1.4.2 瑞典瑞典有4個核電站5，共12個機組(包括己退役的2個機組)，核電占總發(fā)電量的51.6%。瑞典目前的乏燃料存放在Simpevarp核電站附近的乏燃料中間儲存設施之中，并由核電站出資成立的“瑞典核燃料與廢物管理公司”負責高放廢物地質(zhì)處置工作，采取的技術路線是用深部地質(zhì)處置方

15、法在結(jié)晶巖(花崗巖)中處置乏燃料。瑞典從20世紀70年代即開始系統(tǒng)、詳細的研究工作，其研究計劃及成果被國際公認為是最好的，是在花崗巖介質(zhì)中開展高放廢物地質(zhì)處置工作的“領頭羊”。20世紀80年代，在Stripa鐵礦建造了位于花崗巖中的地下實驗室，在1995年又建成了位于花崗巖中的Aspo地下實驗室；同時開展了大量試驗，包括場址評價方法學、新型儀器試制(如地質(zhì)雷達等)、核素遷移、工程屏障性能、深部地質(zhì)環(huán)境等研究，世界上有十幾個國家或組織參加了該項研究。瑞典自1976年開始選址，目前已篩選出2處場址。 瑞典的乏燃料管理各單位的職能如下： (1)議會：確保相關法律的實施。 (2)環(huán)境部：行使政府職權(quán)，

16、授權(quán)批準核廢物管理設施的建造和廢物管理研發(fā)計劃； （3)瑞典核能監(jiān)察署：負責監(jiān)察核設施和廢物管理設施的的核安全，評審核研發(fā)計劃和經(jīng)費計。 (4)瑞典輻射防護局：負責監(jiān)察核設施和廢物管理設施的輻射防護，評審核研發(fā)計劃，向瑞典核能監(jiān)察署提交評價報告。 （5)瑞典核廢物資金管理局：向政府部門提出資金使用建議。(6)瑞典核燃料和廢物管理公司:乏燃料處置研發(fā)和工程實施單位，負責研發(fā)計劃、經(jīng)費預算、地下實驗室、乏燃料和處置庫的設計、建造和運行。1.1.4.3 德國德國的第1個核電站于1961年建成發(fā)電。目前有20個核電機組(其中1個已經(jīng)關閉)，核電占總發(fā)電量的39%6。德國將采取對乏燃料直接處置的技術方案

17、，處置庫圍巖為巖鹽，除把放射性廢物劃分為高放、中放和低放廢物外，還按廢物的發(fā)熱情況把廢物分為發(fā)熱廢物和非發(fā)熱廢物。德國目前有7.6x104 m3非發(fā)熱廢物、8.4x 103 m3發(fā)熱廢物。據(jù)預測，到2040年，將有2.97x105 m3非發(fā)熱廢物、2.4x104 m3發(fā)熱廢物。發(fā)熱廢物中，908 m3為高放廢液玻璃固化體，2.814x103 m3為中放廢物，其余為乏燃料。被處置的放射性廢物總活度為102Bq。德國負責放射性廢物處置工作的有關機構(gòu)是:（1)聯(lián)邦環(huán)境、自然保護和核安全部負責核安全和輻射防護，其下屬的聯(lián)邦輻射防護辦公室為放射性廢物處置的實施機構(gòu)。(2)聯(lián)邦經(jīng)濟和技術部：負責廢物處置的

18、有關技術開發(fā)工作，其下屬的聯(lián)邦德國地球科學和自然資源研究院為技術支撐單位，開展場址調(diào)查、地學研究、工程地質(zhì)和巖石力學等工作。(3)廢物處置庫建造和運行公司：在此公司的指導下成立，負責處置庫規(guī)劃、設計、建造和運行等工作。目前，DBE負責戈勒本勘探設施、康納德鐵礦等設施的運行和維護。關于放射性廢物處置，德國政府決定所有放射性廢物均需處置在深部地質(zhì)體中，并且，所有廢物僅處置在一個處置庫中，要求該處置庫應于2030年建好并運行。除已處理的乏燃料外，德國將采取對乏燃料直接處置的技術方案。鑒于德國北部有200個大小不同的鹽丘以及巖鹽的優(yōu)點，德國于20世紀60年代就選定巖鹽作為放射性廢物處置庫的圍巖，并開始

19、了放射性廢物處置研究工作。20世紀60年代建造有位于鹽礦中的Asse試驗處置庫(運行期為1967-1978年)，70年代建設有位于鹽礦中Morse-leben處置庫(原民主德國)，運行期為1971 -1998年。1976年起開始研究在康納德廢棄鐵礦中處置非發(fā)熱廢物的研究。戈勒本鹽礦(Gorleben)于1977年選為高放廢物地質(zhì)處置庫候選場址，1979-1984年開展了地質(zhì)調(diào)查，共施工了4個深度約為2000 m的鉆孔、500多個小于1000 m的鉆孔；1986-1994年開挖完成2個深達840 m的堅井；1996年起開展了綜合的坑道場址調(diào)查工作。2000年德國綠黨執(zhí)政之后，于2001年6月11

20、日通過一項協(xié)議，決定德國今后放棄核電，并暫停戈勒本場址的工作。目前，DBE只有近200名員工在該處作維修工作。德國從1960年起開始高放地質(zhì)深部地質(zhì)處置技術研究主要包括：(1)選址和場址評價研究：根據(jù)德國的地質(zhì)情況，選擇了巖鹽為主巖；(2)深部地質(zhì)環(huán)境研究：以戈勒本和Asse鹽礦為基地開展研究；（3）工程屏障研究：主要是廢物罐的研究；(4)處置庫施工和作業(yè)技術研究；(5)地下實驗室研究，主要在Asse鹽礦開展；(6)性能評價研究。在基礎研究方而，德國已建立完整的室內(nèi)大型研究設施，如BGR的大型巖石力學研究設施、DBE的處置作業(yè)設施和設備原型設施等，曾在Asse開展過地下實驗室研究（1987年結(jié)

21、束)。由于暫停了國內(nèi)的高放廢物地質(zhì)處置研究，德國轉(zhuǎn)而積極參與了國外地下實驗室的一系列試驗和技術交流，如參加了瑞士Grimsel， Mont Terri，瑞典入Aspo和法國Meuse/Haute Maine場址等的地下現(xiàn)場研究。1.1.4.4 國內(nèi)高放廢物處置研究進展中國的高放廢物主要來源于核電站乏燃料經(jīng)后處理產(chǎn)生的高放廢液以及以前積累的軍工高放廢液，此外，還包括一部分CANDU堆乏燃料和超鈾廢物。能源短缺乃是制約中國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要因素，作為能源(煤、石油)匱乏、水電開發(fā)成本高的中國，發(fā)展核電是保證中國國民經(jīng)濟發(fā)展的重要保障，目前中國也已制定了核電發(fā)展計劃，而發(fā)展核電的關鍵保障條件之一是

22、要安全經(jīng)濟地處置核廢物。據(jù)估計，中國已暫存了一定量的軍工高放廢液，目前運行的輕水堆核電站每年約產(chǎn)生170 噸乏燃料。按中國核電發(fā)展規(guī)劃推算，到2020年中國產(chǎn)生的輕水堆乏燃料累計將達到2.0x103 噸，此后，每年產(chǎn)生約1.0x 103 噸乏燃料，而重水堆(秦山3期)運行期滿后，共將產(chǎn)生約8x103噸乏燃料7。中國從1985年開始開展了高放廢物地質(zhì)處置跟蹤性研究，已初步提出處置庫開發(fā)“二步曲”式的技術路線，開展了高放廢物地質(zhì)處置研究工作，包括選址和場址評價研究、處置庫概念設計調(diào)研、緩沖/回填材料(主要是膨潤上)性能研究、核素遷移和核素水溶液化學研究、天然類比研究、普通地下實驗室場址初選、性能評

23、價調(diào)研和計算機模擬等工作。目前已初步確定甘肅北山為高放廢物處置庫的重點預選區(qū)，并正在該區(qū)的舊井、野馬泉和向陽山地段開展場址評價方法學研究，并已確定內(nèi)蒙古高廟子鈉基膨潤上為處置庫候選回填材料，其他工作也取得了一定的進展。1999-2003年，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院開展了“甘肅北山深部地質(zhì)環(huán)境研究”，施工了首批4個深鉆孔，初步建立了一些場址評價方法。但是，由于缺少宏觀規(guī)劃，沒有在國家層次上集中力量開展研究，目_經(jīng)費投入極其有限，開展的僅僅是跟蹤性的研究，一些重大科學問題還沒有解決。由于至今還沒有一些專用試驗設備和現(xiàn)場研究的必備設施-地下研究實驗室，大量課題根本就沒有開展，距完成地質(zhì)處置任務所需的科學

24、技術積累還相差甚遠。2005年8月1日至3日，國防科學技術工業(yè)委員會在北京組織召開了高放廢物地質(zhì)處置研討會。這是中國首次由政府部門舉行的第一次與高放廢物安全處置有關的研討會。來自國防科學技術工業(yè)委員會、國家環(huán)境保護總局、財政部、解放軍總參、總裝備部、21基地、中國科學院武漢巖上力學研究所、中國科學院金屬研究所、國家自然科學基金委、中國核工業(yè)集團總部、核工業(yè)北京地質(zhì)研究院、中國原子能科學研究院、核工業(yè)第二研究設計院、中國輻射防護研究院和14所大學等近120名代表參加了此次會議。防科學技術工業(yè)委員會副主任、國家原子能機構(gòu)主任張華祝和國家環(huán)境保護總局核安全司副司長趙永康在會議開幕式上做了講話。會議邀

25、請潘自強院士、謝和平院士和劉元方院士及有關專家作了大會報告。會議公布了防科學技術工業(yè)委員會提出的高放廢物地質(zhì)處置中長期研發(fā)規(guī)劃指南(討論稿)，提出了“統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)調(diào)發(fā)展、分步?jīng)Q策、循序漸進”的總體思路8。提出中國應在21世紀中葉建成高放廢物處置庫。提出“十一五”的主要任務是：充實研究隊伍，構(gòu)建研發(fā)平臺，編制研發(fā)網(wǎng)絡，評價預選場址，全而協(xié)調(diào)發(fā)展。會議宣布成立了“防科學技術工業(yè)委員會高放廢物地質(zhì)處置專家組”。這是一次總結(jié)工作，交流經(jīng)驗，分析問題，規(guī)劃未來，部署今后高放廢物地質(zhì)處置總體思路和工作安排的會議。會議成果將對今后中國高放廢物地質(zhì)處置工作產(chǎn)生長遠的影響9。1.2 緩沖材料在高放廢物處置庫中的

26、作用和地位1.2.1 高放廢物的處置模式消除放射性廢物對生態(tài)環(huán)境危害，可通過3種模式：核嬗變處理法、稀釋法和隔離法10。隔離法又分為地質(zhì)處理、冰層處置、太空 處置等方法。而高放廢物最現(xiàn)實可行的方法是地質(zhì)處置法。地質(zhì)處置法是指利用土壤、巖石等地質(zhì)介質(zhì)，采用地質(zhì)手段將核廢物與生態(tài)環(huán)境長期或永久隔離，不再因取。地質(zhì)處置的優(yōu)點是：所涉及的技術成熟、充分利用天然和人工屏障、可進行長期監(jiān)測、在必要時可進行回取。按照處置工程的不同，高放廢物的地質(zhì)處置可分為深巖硐處置法、廢礦井處置法、深鉆孔處置法、巖石熔融處置法和深海床處置法。除丹麥擬采用深鉆孔處置外，世界各國均優(yōu)先考慮深巖硐處置，其次擬采用深海床處置。俄羅

27、斯根據(jù)其國內(nèi)已積存大量核廢物、較困難的經(jīng)濟條件和民眾的反對等實際情況，高放廢物的處置擬分近期和長遠2種途徑區(qū)別對待:近期在核廢物產(chǎn)生地附近選取符合隔離要求的地點，用深井進行核廢物處置；長遠的目標是建立全國性的處置庫。深巖硐處置是高放廢物地質(zhì)處置中最主要的形式，本文所指高放廢物深地質(zhì)處置主要是以此種方式為討論對象。它是將固化高放廢物處置于地下(深度大于200 m，多大于500 m)人工深巖硐中。處置庫可分為地面與地下設施，其中地下處置庫由中央1豎井大廳、堅井、巷道和處置室組成。廢物容器在地下處置室中的放置并不完全相同11。可以是廢物容器放置于處置室或處置巷道中，或者是廢物容器置于處置室和處置平巷

28、底的鉆孔中或在處置室支撐巖體的水平處置孔內(nèi)，但世界上大多數(shù)國家擬采用放置于平巷底板的鉆孔中。深巖硐處置法隔離放射性核素是基于多重屏障的概念：由廢物體、廢物包裝容器和回填材料組成的人工屏障和由巖石與土壤組成的天然屏障。實現(xiàn)這一隔離目標的技術關鍵有2個：即天然屏障的有效性及工程屏障的有效性。前者與場地的地質(zhì)和力學穩(wěn)定性及地下水有關，可通過選取有利場地、有利水文地質(zhì)條件和有利圍巖來實現(xiàn)；后者可通過完善的處置庫設計和優(yōu)良的工程屏障(選取有利的固化體、包裝與回填材料)來實現(xiàn)。 緩沖材料的作用及地位緩沖材料是指在廢物容器之間及廢物容器與地質(zhì)體之間填入的材料。由于緩沖材料是最后一道人工屏障，因此其材料的選擇

29、和工程特性對于整個高放廢物處置系統(tǒng)就顯得非常重。緩沖材料作為高放廢物處置庫中的工程阻擋層，填充在廢物容器和圍巖之間，它的作用為12：（1）工程屏障作用：緩沖圍巖力對廢物罐的影響，保持廢物罐處于處置孔中心，維護處置庫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。（2）水力學屏障作用:充填廢物容器與圍巖間的孔隙和近場巖石中的裂隙或孔隙，阻止地下水流到廢物罐表面。（3）化學屏障作用:阻滯核素遷移(處置庫設計有一個重要前提:避免氧化侵蝕，因為氧化環(huán)境下腐蝕過程會加速，廢物溶解度會增加)，阻止氧化劑到達廢物罐表面廢物罐被穿透和其內(nèi)襯被腐蝕必須有水通過裂口加入，同時緩沖材料阻止放射性氣體和水溶化合物滲漏到圍巖中。（4）導熱作用：傳導核燃

30、料殘余能量。1.3 膨潤土的結(jié)構(gòu)及特性 膨潤土的結(jié)構(gòu)1888年地質(zhì)學家W.c.knight在美國懷俄明州落基山河附近發(fā)現(xiàn)了一種綠黃色吸水膨脹的粘土物質(zhì)，由于產(chǎn)地為“FortBton”，因而取名膨潤土（Betonite），它是由火山玻璃狀熔巖、火山凝灰?guī)r或其它火山巖石在堿性水作用下蝕變而形成的一種層柱狀化合物，經(jīng)自然風化而形成13。如圖1，從外觀來看膨潤土呈白色、淡灰色、淡黃色等，膨潤土主要是以蒙脫石為組分的巖石14，含有少量石英、長石、云母、高嶺土等。圖1 鈣基膨潤土膨潤土理想化學式為(Na，Ca) 0.33(Al，Mg，F(xiàn)e)2（Si，Al）4 O10(OH)2.nH2O，結(jié)構(gòu)如圖2所示，其

31、主要成分蒙脫石主要的結(jié)構(gòu)單元是由Si-O四面體和Al-O(OH)八面體組成的，四面體片和八面體片相間排列成2：1層，即二個四面體片夾一個八面體片。圖2 膨潤土（蒙脫石）的晶體結(jié)構(gòu)圖Si四面體片結(jié)構(gòu)如圖3所示，它的形狀近似六方環(huán)網(wǎng)格，由處于同一平面的 Si-O四面體的三個頂點O與相鄰Si-O四面體共用而連結(jié)。圖3 四面體及四面體片八面體片結(jié)構(gòu)如圖4所示，Al-O(OH)八面體以Al為中心原子，Al原子與彼此頂點相對的四面體的四個頂點O處于同一平面的兩個羥基構(gòu)成六配位的Al-O(OH)八面體結(jié)構(gòu)，這些八面體彼此借O（OH）與相鄰八面體中心原子配位組成八面體片。氧鋁圖4 八面體及八面體片 膨潤土的特

32、性.1 晶格置換Si-O四面體中的Si4+可被Fe3+置換，Al-O(OH)八面體的Al3+可被Fe2+、Mg2+、Zn2+、Li+等置換，當四面體、八面體中的陽離子被置換為低價時，原結(jié)構(gòu)增加等當量的負電荷，從而自發(fā)地吸附陽離子補償，如Ca2+ 、Na+等，這種晶格內(nèi)的異價類同象置換是蒙脫石最基本、最重要的性質(zhì)。.2 電負性蒙脫石的電負性主要來源于三個方面（1）晶格置換晶格置換而形成電負性也稱為結(jié)構(gòu)電荷或永久電荷，把蒙脫石顆粒看成是一個帶電的“負離子”，永久電荷大部分分布在蒙石晶層的層面上，此電荷與環(huán)境的pH值無關。（2）破鍵產(chǎn)生的負電荷破鍵產(chǎn)生的負電荷受pH值的制約，在酸性介質(zhì)中，破鍵吸附H

33、+，而使蒙脫石帶正電荷：在堿性介質(zhì)中，破鍵不能吸附H+從而使蒙脫石端面帶負電荷，等電點在pH值為7或接近7的介質(zhì)中。八面體解離形成的負電性受pH值制約，在酸性介質(zhì)中，OH-（AlO33-）的離解占優(yōu)勢，使蒙脫石晶體端面帶正電荷：在堿性介質(zhì)中，Al3+的離解占優(yōu)勢，使蒙脫石晶體端面帶負電荷，等電點在pH值為9.2附近。因此，反應形成的凈電荷可正可負，這主要決定于溶液的pH值和鹽度。在相對較低的pH值下，蒙脫石具有陰離子的交換能力，在相對較高pH值下，蒙脫石具有陽離子交換能力。.3 吸附性由于蒙脫石為2:1型層狀結(jié)構(gòu)，具有很大的內(nèi)外表面積(600800m2/g)和孔容，伴隨產(chǎn)生了巨大的表面能，從而

34、對氣體、水分、溶液中的某些色素、有機化合物等具有很強的吸附性。膨潤土的吸附主要分為四種:物理吸附、化學吸附、陽離子交換吸附和陰離子交換吸附。陽離子交換吸附，是指吸附在膨潤土層間和表面的陽離子可以和溶液中的同號離子進行陽離子交換。其吸附親和力大小取決于離子基團所帶的電荷及水合程度。電荷數(shù)高、水合程度弱的離子(且離子半徑大)易被交換吸附。蒙脫石的陽離子交換性有下列特點：(1)等號離子相互交換。蒙脫石單位晶層中的陽離子與溶液中的陽離子之間的交換作用是化學計量反應，符合質(zhì)量作用定律。(2)等電量相互交換。粘土表面交換出來的陽離子與被粘土吸附的陽離子的電量是相等的，如一個Ca+與兩個Na+相互交換。 (

35、3)陽離子的交換和吸附是可逆的。此外膨潤土也具有陰離子交換吸附的能力，其規(guī)律：與表面羥基結(jié)合的A13+、Fe3+，將吸附陰離子；陰離子吸附時受溶液pH值的影響，低pH值時有最大的吸附；陰離子的吸附性大小順序為:PO43->AsO32->Se032->MO42-(M為金屬)>SO42-=F->Cl->N03-15；其他類型陰離子的存在，將引起吸附位置的競爭，有時像Ca2+、A13+這樣一些交換性陽離子的存在可以導致不溶產(chǎn)物的形成。.4 吸水膨脹性和親油性膨潤土能吸附5倍于自身重量的水，而體積能膨脹至吸水前的20-30倍15，表現(xiàn)出強烈的吸水膨脹性，這主要與其陽

36、離子交換性有關。蒙脫石層間以范德華力結(jié)合，鍵能很弱易分離，因此水分子能進入層間形成水化陽離子，使晶層鍵斷裂，層間距加大，引起晶格定向膨脹;同時晶胞帶有許多金屬陽離子和輕基親水基，表現(xiàn)出強烈的親水性。蒙脫石層間的水化陽離子，可以被大的有機陽離子所取代，從而在蒙脫石結(jié)構(gòu)中引入親油性有機分子，使蒙脫石由親水性變?yōu)橛H油性，由于引入有機大分子，有機膨潤土的體積膨脹更大。一般無機膨潤土層間距約0.96-2.10nm，而有機膨潤土層間距可達2.596nm。1.3.2.5 懸浮性和分散性膨潤土在水中具有懸浮性，這是由于蒙脫石顆粒非常細小(0.2 um下)16而且具有很大而不規(guī)則的表面，另外蒙脫石晶胞帶負電(層

37、間負電荷)，彼此同性相斥，在稀溶液里很難聚集成大顆粒而表現(xiàn)出良好的懸浮性。1.3.2.6 粘結(jié)性和可塑性膨潤土具有親水性、顆粒細小及不規(guī)則性、晶體表面電荷的多樣化等特點，從而與水混合會帶來很大的粘結(jié)性。膨潤土還具有良好的可塑性，它的可塑性水的百分含量大于高嶺土和伊利石，而變形所需的外力遠遠小于其他粘上。1.3.2.7 觸變性該性能在一定范圍內(nèi)表現(xiàn)突出，即有外力攪動時懸浮液表現(xiàn)為流動性很好的溶膠液；停止攪動時，就會自行排列成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠，并不發(fā)生沉降分層和水的離析;再施加外力攪動時，凝膠又能迅速被打破，恢復原來流動性17,18。1.3.2.8 穩(wěn)定性和無毒性膨潤土具有良好的化學穩(wěn)定性表現(xiàn)在

38、:能耐3000高溫，具有良好的熱穩(wěn)定性；基本不溶十水及有機溶劑，在強酸、常溫下不被強氧化劑、還原劑破壞；另外膨潤土對人、畜、植物均無腐蝕劑、土壤改良劑及化肥載體。在強堿性條件下微溶；無毒害，因此能用作醫(yī)藥載體、飼料添加劑、土壤改良劑及化肥載體。1.4 本文研究的目的及主要內(nèi)容緩沖/回填材料吸附能力的高低會影響到高放廢物的安全處置，因此探討其吸附特性具有重要的意義。本文主要通過對Pb2+的吸附性能的初步探討混合緩沖材料的吸附特性，研究的內(nèi)容主要有：吸附時間、Pb2+的濃度、pH值、溫度對混合緩沖材料吸附性能的影響；初步討論其吸附機制。2. 實驗部分2.1 主要儀器及試劑氨水，氫氧化鈉、鹽酸、石英

39、砂和膨潤土、硝酸鉛、電熱恒溫水浴鍋、電熱、恒溫鼓風干燥箱、磁力恒溫攪拌器、精密數(shù)顯酸度計、往復式水浴恒溫振蕩器。2.2 實驗流程實驗流程如圖5所示：進行實驗記錄反應數(shù)據(jù)過濾、干燥沉淀穩(wěn)重記錄數(shù)據(jù)計算數(shù)據(jù)繪制成圖準備試劑、藥品配制所需溶液裝置儀器分別改變實驗條件圖5 實驗方案流程圖2.3 實驗方案實驗方案如表1所示表1 實驗方案實驗組1234時間(h)17444Pb2+ 濃度(g/L)51555pH值661146溫度（）40404020702.4 測試方法用沉淀方法沉淀被緩沖材料吸附后的溶液的鉛離子，計算出其吸附鉛離子的量，進而得到其去除率。計算公式：去除率=1-n(Pb(OH)2)×

40、M(Pb2+)/m(Pb2+)總 3. 結(jié)果與討論3.1 時間對混合緩沖材料水中鉛離子去除率的影響實驗條件：的濃度為5g/L，pH值為6，溫度為40，結(jié)果見圖6。圖6 吸附時間與去除率之間的關系圖6表明，開始時隨著吸附時間的增加，去除率增加，當反應時間為4h時，去除率就達到最大，可是膨潤土內(nèi)的表面吸附水和層間水迅速作用，以及原土和石英砂的防滲作用，促使了空隙的形成和結(jié)構(gòu)的通暢，隨著吸附時間的延長，空隙和通道的數(shù)量不再增加，吸附能力基本保持不變，故吸附最佳時間為4h。3.2 鉛離子濃度對混合緩沖材料水中鉛離子去除率的影響實驗條件：時間為4h，pH值為6，溫度為40，結(jié)果見圖7。圖7 鉛離子濃度與

41、去除率之間的關系圖7表明，隨著Pb2+濃度的增加，在溶液中膨潤土與石英砂組成的混合緩沖材料與Pb2+的碰撞幾率就變大，從而，Pb2+的去除率達到穩(wěn)定。但當Pb2+濃度達到0.5g/L時，Pb2+的去除率達到穩(wěn)定，故Pb2+濃度為5g/L時，Pb2+的去除最高。3.3 pH值對混合緩沖材料水中鉛離子去除率的影響實驗條件：時間為4h，Pb2+濃度為5g/L，溫度為40，結(jié)果見圖8。pH值 圖8 pH值與去除率之間的關系圖8表明，當pH值在14之間時，隨著pH值的增大，混合緩沖材料對Pb2+吸附效果急劇增加，。當pH值在45之間時，去除率開始有所下降，當pH值在56之間時，去除率急劇增大，吸附效果達

42、到最大，當pH>6后，去除又開始下降，產(chǎn)生這種原因，可能是在強酸性條件下混合緩沖材料解離出更多的OH-離子，使表面上的正電荷密集，不利于Pb2+的吸附。在pH值接近到中性時，蒙脫石端面解離出更H+離子，使表面上的負電荷密集，有利于混合緩沖材料對Pb2+的吸附，隨著pH的升高，Pb2+產(chǎn)生沉淀，沉積在膨潤土表面，堵塞了膨潤土內(nèi)部的空隙，因而不利于膨潤土的吸附，因此在pH>6后的去除率相比較之下，又有一定的下降。3.4 溫度對混合緩沖材料水中鉛離子去除率的影響實驗條件為：時間為4h，Pb2+的濃度為5g/L，pH值為6，結(jié)果見圖9。圖9 溫度與去除率之間的關系圖9表明，隨著溫度的升高，

43、緩沖材料對Pb2+的去除率逐漸升高，在3040吸附效果最好。當溫度低于30時，升高溫度促進傳質(zhì)對物理吸附有效，當達到吸附最高點時，化學吸附達到平衡，由于吸附是放熱過程，當溫度升高到5060時，混合緩沖材料對Pb2+的去除率反而下降。故本實驗的最佳吸附溫度為40。3.5 混合緩沖材料對Pb2+的吸附機制組成混合緩沖材料的膨潤土的主要成分是蒙脫石， 蒙脫石具有良好的晶格置換性、電負性、吸附性、吸水膨脹性、親油性、懸浮性、分散性、粘結(jié)性、可塑性等，而石英砂不具有吸附能力。因此混合緩沖材料對Pb2+的吸附機制為蒙脫石的吸附機制。4. 結(jié)論本論文選用石英砂與膨潤土為基材，混合成緩沖材料，通過本論文的研究

44、可得出以下結(jié)論：（1）在離子濃度為5g/L、pH值為6、溫度40的條件下，緩沖材料的吸附先隨時間的增加而增加，到4h時吸附達到最好，大于4h后吸附有所下降；在時間為4h、pH值為6、溫度40的條件下，緩沖材料的吸附隨著離子濃度的增大而增強；在時間為4h、離子濃度為5g/L、溫度40的條件下，強酸強堿都不利于緩沖材料的吸附，接近中性反而對緩沖材料的吸附性能有所提高；在時間為4h、離子濃度為5g/L、pH值為6，溫度對緩沖材料的吸附影響與時間對它的影響有著類似的規(guī)律，緩沖材料的吸附性能隨著溫度的升高而提高，達到40時吸附性能為最大，大于40后吸取性能開始下降。（2）混合緩沖材料吸附的最佳條件為：溫度40、時間4h、pH值為6、離子濃度為5g/L。（3）混合緩沖材料的吸附機制