發(fā)布時(shí)間：2020-08-02 11:40

【摘要】：核能在緩解能源危機(jī)的同時(shí),產(chǎn)生的放射性廢物嚴(yán)重威脅人類的生命安全。目前,如何對(duì)高放廢液(HLW)進(jìn)行有效處理和處置引起了海內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。地聚合物因具有獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)可用于固化處理核廢液,但鮮有學(xué)者對(duì)其進(jìn)一步陶瓷化進(jìn)行研究。因此,本論文通過對(duì)比粉煤灰及偏高嶺土基地聚合物的物理特性以及礦物組成的變化,闡明高溫陶瓷化的演變特性。利用4A沸石、硅酸鉀和偏高嶺土為原料制備陶瓷,對(duì)模擬核素鍶、銫進(jìn)行固化,并研究了陶瓷固化體的物理特性和抗浸出性能,結(jié)合礦物組成、微觀形貌及分子組分分析,闡明了陶瓷固化體的性能及固化機(jī)理。以此為依據(jù),進(jìn)一步對(duì)含核沸石添加量對(duì)陶瓷固化體性能帶來的影響展開研究,以期為地聚合物陶瓷固化高放廢液大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用提供一定的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。本論文研究表明:偏高嶺土基地聚合物樣品較粉煤灰樣品具有更好的耐高溫性能,在高溫1200℃左右,偏高嶺土基地聚合物有大量白榴石相生成,樣品結(jié)構(gòu)平整光滑,氣孔率實(shí)現(xiàn)最小值,抗壓強(qiáng)度急劇提升。堿金屬鉀離子半徑較大,使得鉀-基偏高嶺土地聚合物樣品在1100℃率先出現(xiàn)白榴石晶相衍射峰,氣孔率為1.21%,抗壓強(qiáng)度提升至47.76 MPa,較鈉-基偏高嶺土地聚合物樣品高出12.98 MPa,更適用于制備陶瓷固化體。含鍶沸石、含銫沸石的兩組地聚合物陶瓷固化體致密性好,具有很好的機(jī)械性能和抗浸出(離子擴(kuò)散)性能。兩組地聚合物陶瓷固化體在900℃開始,樣品氣孔率明顯減小,體積密度增大,在1100℃有大量光滑穩(wěn)定的陶瓷相結(jié)構(gòu)生成,內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密,兩組陶瓷固化體樣品強(qiáng)度分別提高至81.33 MPa和91.45 MPa,在去離子水、鹵水、硅酸鹽水中較原樣表現(xiàn)出更好的抗浸出性能,浸出率均低于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值,具有很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。含核沸石添加量對(duì)陶瓷固化體性能影響較為明顯,含核沸石添加量在60%時(shí),沸石中堿金屬參與反應(yīng),降低樣品的熔融溫度,1100℃時(shí)局部熔融生成新的霞石相,含核沸石添加量在70%-90%時(shí),有大量霞石、白榴石等陶瓷相的生成,物相分析表明游離SiO_2熔融成玻璃相,填補(bǔ)孔隙,樣品抗壓強(qiáng)度提升。在高濃度鹵水溶液中,含核沸石摻量為90%時(shí),樣品在整個(gè)浸出周期內(nèi)浸出率均滿足工業(yè)限值,可實(shí)現(xiàn)高放廢液的安全處置。
【學(xué)位授予單位】：西南科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ174.1;TL941.1
【圖文】：

（a）偏高嶺土 （b）粉煤灰圖 2-1 樣品實(shí)物圖Fig.2-1 The apparent of metakaolin and fly ash表 2-2 偏高嶺土（MK）和粉煤灰（FA）的主要化學(xué)成分（%）Table 2-2 Main chemical content of metakaolin and fly ash（%）材料 SiO2Al2O3Na2O MgO Fe2O3CaO K2O TiO2SO3其他偏高嶺土 57.24 37.97 0.24 0.14 0.97 0.14 1.20 0.74 0.57 0.79粉煤灰 53.97 31.14 0.88 1.01 4.16 4.01 2.03 1.13 0.72 0.95（3）硅酸鈉（Na2SiO3）/硅酸鉀（K2SiO3）Na2SiO3、K2SiO3的溶液俗稱為水玻璃溶液，呈固態(tài)粘稠狀，無色液體，本實(shí)驗(yàn)所用的 Na2SiO3、K2SiO3溶液的化學(xué)式組成分別為 Na2O·nSiO2和 K2O·nSiO2，其中 n 通常是指水玻璃的模數(shù)，約等于 SiO2與 Na2O（K2O）摩爾數(shù)的比。本論文所采用堿性激發(fā)劑均由廣州穗欣化工有限公司生產(chǎn)的模數(shù)為 3.3 的工業(yè)級(jí)鈉水玻璃（Na2O：8.2％，SiO226％）和模數(shù)為 2.72 工業(yè)級(jí)鉀水玻璃（K2O：15.5％，SiO2：26.91％）。由前期相關(guān)實(shí)驗(yàn)可知，水玻璃模數(shù)取值為 1.0-1.5 范圍時(shí)，樣品強(qiáng)度較好，本實(shí)驗(yàn)結(jié)合前期模數(shù)研究成果，確定水玻璃最佳模數(shù)為 1.2 制備地聚合物。因此在制備地聚合物之前，應(yīng)通過添

(c) 鈉-基粉煤灰地聚合物 (d) 鉀-基粉煤灰地聚合物圖 2-2 經(jīng)高溫處理后樣品的表觀形貌Fig.2-2 Appearance of the different geopolymers after calcination2.4.2 高溫處理后樣品的質(zhì)量變化及線性收縮分析圖 2-3（a）、（b）所示分別為四組地聚合物樣品在不同高溫作用前后的質(zhì)量變化和線性收縮變化。觀察圖 2-3（a）可以知道隨著煅燒溫度增加，樣品燒結(jié)質(zhì)量整體呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)。粉煤灰基地聚合物質(zhì)量變化明顯大于偏高嶺土樣品，這與樣品制備所需水量有關(guān)，粉煤灰樣品水化反應(yīng)需水量 30 mL，偏高嶺土樣品需水量 25 mL，粉煤灰樣品表面裂紋越多，表面水分就越容易散失，質(zhì)量損失較大。對(duì)比鈉-基和鉀-基偏高嶺土地聚合物樣品質(zhì)量變化可得，煅燒溫度在 800-900 oC 之間，兩組偏高嶺土地聚合物質(zhì)量減小，這與樣品中的游離水、孔隙水以及凝膠脫羥基作用有關(guān)[30]；溫度為 1200 oC時(shí)，樣品的質(zhì)量變化極小，且隨著溫度增加至 1500 oC，樣品質(zhì)量均沒有出現(xiàn)大變化，在整個(gè)高溫煅燒范圍內(nèi)，鉀-基偏高嶺土地聚合物質(zhì)量變化小于鈉-基偏高嶺土地聚合物，這可能與兩種樣品的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)比粉煤灰地聚合物質(zhì)量變化可知，溫度為 1000 oC時(shí)，樣品質(zhì)量變化達(dá)到最大值，煅燒溫度為 1100 oC 后，樣品質(zhì)量發(fā)生輕微升高，這是

西南科技大學(xué)碩士學(xué)位論文4A 型分子篩（4A 沸石）是由人工合成的、內(nèi)部主要成微孔型立方晶格的三維架狀結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽，晶相呈立方形，沸石晶胞中心位置主要是由空穴和元環(huán)這兩部分相互間聯(lián)結(jié)形成的。4A 型分子篩（沸石）由于其內(nèi)部孔隙直徑約為 4.12A，具很強(qiáng)的陽離子交換性能，主要用于水處理、石化工業(yè)的吸附劑等，其主要化學(xué)成分列入表 3-1 中。4A 沸石粉體由粉碎機(jī)粉碎后過 200 目篩可得，粉碎前后的外觀形貌圖 3-1。4A 沸石中硅鋁含量所占比重為 77.11%，有一定的吸附核素的能力。表 3-1 4A 型沸石主要化學(xué)組分（%）Table 3-1 The main chemical contents of zeolite（%）化學(xué)組分 SiO2Al2O3Na2O Fe2O3MgO CaO K2O SO3其他含量 46.06 30.05 17.41 1.32 4.06 0.37 0.34 0.09 0.30

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