CN109813635B - 基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置，所述岩土样品两侧均设置有接收池，岩土样品的顶部和底部均设置有样品池，接收池顶部和底部设置源液池，左侧接收池的左侧设置有阳极花岗岩岩片，右侧接收池的右侧设置有阴极花岗岩岩片，阴极花岗岩岩片的顶部和底部设置阴极隔离室，阳极花岗岩岩片的顶部和底部设置有阳极隔离室，阴极隔离室的右侧设置有阴极电解池，阳极隔离室的左侧设置有阳极电解池，阳极电极位于阳极电解池内，阳极电解池内设置有阳极溶液，阴极电极位于阴极电解池内，阴极电解池内设置有阴极溶液。本发明不仅有利于研究核素在岩土介质中的扩散行为，同时也可用于研究核素在岩土介质中的吸附行为。

Description

基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置

技术领域

本发明涉及环境及岩土工程领域领域，具体是基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置。

背景技术

目前人们普遍认为深地质处置是处理高放废物最现实、可行的方法。它是由工程屏障（废物固化体、包装材料以及缓冲回填材料等）与天然屏障（处置库场地天然地质体）所组成的“多屏障系统”，其目的是尽可能长时间地阻隔放射性物质迁移，达到不危害生物圈的目的。在长期的地质作用及水流侵蚀下，深埋于地下的核废物包装体可能受到破坏，其中的放射性核素将随地下水流扩散迁移至缓冲回填材料及处置库天然地质体中危害场地及周围地区环境安全。为分析评价放射性废物处置场地安全性以及指导屏障层设计，需要研究放射性核素在屏障材料及天然岩体中的扩散行为、获取其扩散系数。

在自然条件下，岩土介质中核素的扩散速度较为缓慢，采用常规方法（如静态背向背扩散法、动态扩散池法和毛细管法等）存在测量时间长、效率低、测量成本大等问题。为了缩短研究核素扩散行为的周期、提高实验效率，需要通过某种手段来加速这一过程，其中采用电迁移法可有效加速岩土介质中的核素扩散进程。

目前有关电场加速核素扩散的研究较少，其中最有影响的工作是由Maes等人开展的核素85Sr、137Cs、14C、131I和Se在电场作用下的内扩散实验，获取了相关核素在膨润土中的扩散系数，相比传统方法，采用电场加速核素内扩散，实验周期缩短了1-2个量级。然而，该方法也存在一定的问题，如：样品切片过程中切片厚度与均一度难以控制、消解流程繁琐、实验中阴、阳两极产生OH-、H+，改变了土柱两侧pH。

为有效解决Maes等人实验方法上的不足，我们提出了电场贯穿扩散法。其基本原理是，核素（在溶液中以阳离子形式存在）在电场作用下，会发生电迁移，同时由于岩土介质孔隙存在双电层结构，电场作用下，电解质会发生电渗，在电迁移以及电渗的共同作用下，可加快核素在岩土介质中的扩散。核素在电场作用下从扩散池源液池穿透岩土介质进入接收池后，在不同时间对接收池进行取样分析并绘制核素穿透曲线，则可获取核素在岩土介质中的扩散系数。相比于内扩散实验，穿透扩散实验具有取样过程方便、实验精度高等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置，包括阳极电解池、源液池、阴极电解池和岩土样品，所述岩土样品两侧均设置有接收池，所述岩土样品和接收池之间设置有多孔滤片，多孔滤片分别放置于源液池与接收池凹槽内并紧贴岩土样品，岩土样品的顶部和底部均设置有样品池，接收池顶部和底部设置源液池，左侧接收池的左侧设置有阳极花岗岩岩片，右侧接收池的右侧设置有阴极花岗岩岩片，阴极花岗岩岩片的顶部和底部设置阴极隔离室，阳极花岗岩岩片的顶部和底部设置有阳极隔离室，阴极隔离室的右侧设置有阴极电解池，阳极隔离室的左侧设置有阳极电解池，所述阳极隔离室、源液池、样品池、岩土样品、接收池、阴极花岗岩岩片和阴极隔离室采用六角螺母、等长双头螺柱和法兰盘固定，六角螺母与等长双头螺柱之间设置有垫片，所述阳极电极位于阳极电解池内，阳极电解池内设置有阳极溶液，且阳极溶液和阳极电极连接电源正极，所述阴极电极位于阴极电解池内，阴极电解池内设置有阴极溶液，且阴极极溶液和阴极电极连接电源负极，所述岩土试样位于样品池内，所述源液池与接收池采用蠕动泵与外置容量瓶进行循环，所述源液池与接收池进口与出口处采用PEEK接头与PTFE管路进行连接。

作为本发明进一步的方案：所述阴极电解池和阳极电解池上均安装有电解池盖板，电解池盖板上开设有电解池溶液交换孔。

作为本发明再进一步的方案：所述样品池、源液池、接收池采用圆片式设计，其内部腔室直径为20mm，厚度为10mm。

作为本发明再进一步的方案：所述阳极电极与阴极电极采用石墨平行板电极，其尺寸为100*50*3mm，阳极电极与阴极电极相对设置，阳极电极垂直放置于阳极电解池中，阴极电极垂直放置于阴极电解池中，且阳极电极与阴极电极相对平行，阳极电极与阴极电极截面积大于岩土样品。

作为本发明再进一步的方案：所述阳极电解池内设置的阳极溶液为0.1mol/LNaNO3溶液，阴极电解池内设置的阴极溶液为0.1mol/LNaNO3。

作为本发明再进一步的方案：所述阳极电解池与阴极电解池中电解质溶液，均通过采用蠕动泵进行循环，以消除电解过程中阴、阳两极产生的H+、OH-。

作为本发明再进一步的方案：所述岩土样品与样品池接触部分采用环氧树脂密封，阳极花岗岩岩片与阳极隔离室接触部分采用环氧树脂密封，阴极花岗岩岩片与阴极隔离室接触部分采用环氧树脂密封。

作为本发明再进一步的方案：所述岩土样品和接收池之间设置有多孔滤片，多孔滤片采用聚四氟乙烯PTFE材料，多孔滤片分别放置于源液池与接收池凹槽内并紧贴岩土样品。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用本发明设计的电场贯穿扩散装置，通过测定接收池中核素的浓度变化，绘制穿透曲线，可以在较短的实验周期内、简便地获取核素在岩土介质中的扩散系数；花岗岩岩片的使用可维持核素扩散环境的稳定；同时，该装置小型化设计以及实验装置弱吸附性材料的选用可减小实验装置对核素的吸附，提高实验的准确性；蠕动泵、源液池、接收池、容量瓶的循环系统，实现了源相的定浓度注入与流出液的接收。本发明基于应用电场加速核素扩散方法原理，是一种可用于电场贯穿扩散测量的装置，该装置不仅有利于研究核素在岩土介质中的扩散行为，同时也可用于研究核素在岩土介质中的吸附行为。

附图说明

图1为基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置的电场贯穿扩散装置结构示意图；

图2为基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置的电场贯穿扩散装置剖面图；

图3为基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置的电场贯穿扩散装置三维效果图。

图中：电解池溶液交换孔1、电解池盖板2、阳极电极3、阳极电解池4、等长双头螺柱5、垫片6、法兰盘7、阳极隔离室8、源液池9、O型圈10、PEEK接头11、多孔滤片12、六角螺母13、阴极电极14、阴极电解池15、阳极花岗岩岩片16、样品池17、岩土样品18、接收池19、阴极花岗岩岩片20和阴极隔离室21。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～3，本发明实施例中，一种基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置，包括电解池溶液交换孔1、电解池盖板2、阳极电极3、阳极电解池4、等长双头螺柱5、垫片6、法兰盘7、阳极隔离室8、源液池9、O型圈10、PEEK接头11、多孔滤片12、六角螺母13、阴极电极14、阴极电解池15、阳极花岗岩岩片16、样品池17、岩土样品18、接收池19、阴极花岗岩岩片20和阴极隔离室21，所述岩土样品18两侧均设置有接收池19，岩土样品18的顶部和底部均设置有样品池17，接收池19顶部和底部设置源液池9，左侧接收池19的左侧设置有阳极花岗岩岩片16，右侧接收池19的右侧设置有阴极花岗岩岩片20，阴极花岗岩岩片20的顶部和底部设置阴极隔离室21，阳极花岗岩岩片16的顶部和底部设置有阳极隔离室8，阴极隔离室21的右侧设置有阴极电解池15，阳极隔离室8的左侧设置有阳极电解池4，所述阴极电解池15和阳极电解池4上均安装有电解池盖板2，电解池盖板2上开设有电解池溶液交换孔1，所述阳极隔离室8、源液池9、样品池17、岩土样品18、接收池19、阴极花岗岩岩片20和阴极隔离室21采用六角螺母13、等长双头螺柱5和法兰盘7固定，六角螺母13与等长双头螺柱5之间设置有垫片6，所述样品池17、源液池9、接收池19采用圆片式设计，其内部腔室直径为20mm，厚度为10mm，所述阳极电极3位于阳极电解池4内，阳极电解池4内设置有阳极溶液，且阳极溶液和阳极电极3连接电源正极，所述阴极电极14位于阴极电解池15内，阴极电解池15内设置有阴极溶液，且阴极极溶液和阴极电极14连接电源负极，所述岩土试样18位于样品池17内，所述阳极电极3与阴极电极14采用石墨平行板电极，其尺寸为100*50*3mm，阳极电极3与阴极电极14相对设置，阳极电极3垂直放置于阳极电解池4中，阴极电极14垂直放置于阴极电解池15中，且阳极电极3与阴极电极14相对平行，阳极电极3与阴极电极14截面积大于岩土样品18，所述阳极电解池4内设置的阳极溶液为0.1mol/LNaNO3溶液，阴极电解池15内设置的阴极溶液为0.1mol/LNaNO3，所述阳极电解池4与阴极电解池15中电解质溶液，均通过采用蠕动泵进行循环，以消除电解过程中阴、阳两极产生的H+、OH-，所述岩土样品18与样品池17接触部分采用环氧树脂密封，阳极花岗岩岩片16与阳极隔离室8接触部分采用环氧树脂密封，阴极花岗岩岩片20与阴极隔离室21接触部分采用环氧树脂密封，所述岩土样品18和接收池19之间设置有多孔滤片12，多孔滤片12采用聚四氟乙烯PTFE材料，多孔滤片12分别放置于源液池9与接收池19凹槽内并紧贴岩土样品18，源液池9、接收池19、样品池17、阳极隔离室8、阴极隔离室21这些与核素接触部位选用聚碳酸酯(PC)材料，阳极电解池4、阳极隔离室8、源液池9、样品池17、接收池19、阴极隔离室21、阴极电解池15之间接触部分采用氟橡胶O型圈10进行密封，所述源液池9与接收池19采用蠕动泵与外置容量瓶进行循环，所述源液池9与接收池19中溶液采用0.1mol/LNaNO3溶液，所述源液池9与接收池19进口与出口处采用PEEK接头11与PTFE管路进行连接，使用该基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置时，通过压片机压制膨润土样品将样品18装入样品池17中，随后将其置于真空饱和装置中，抽气1h，注入蒸馏水饱和7天，同时，将花岗岩岩片16浸泡在含有蒸馏水的烧杯中,煮沸10次，饱和7天，然后将其分别装入阳极隔离室8与阴极隔离室21中，并用环氧树脂粘接固定，各部件之间的氟橡胶O型圈10在压力作用下挤压变形，起到密封作用，采用蠕动泵将0.1mol/LNaNO3溶液注满源液池9与接收池19，排出装置内的气泡，将0.1mol/LNaNO3溶液注入阳极电解池4与阴极电解池15中，保证两电解池水平方向不存在气泡，将源液池9与接收池19用蠕动泵与外置容量瓶进行循环，流速为2ml/min，外置容量瓶中装有0.1mol/LNaNO3溶液，同时采用蠕动泵将阳极电解池4与阴极电解池15中电解质溶液进行循环，流速为2ml/min，在进行核素扩散实验前，先设置稳压直流电源电压为20V，通电12h，使整个实验体系中离子运移及溶液状态趋于平衡，实验体系达到平衡后，将装有核素U的容量瓶接入源液池9，每隔12h更换接收池19端的容量瓶进行取样，然后使用分析测试仪器对溶液中U的浓度进行测定，绘制核素的穿透曲线，并计算其在岩土介质中的扩散系数，通过缩小装置尺寸可有效减少装置对核素的吸附（传统扩散池源液池与接收池体积比在10:1，源液池体积越大其对核素吸附也越大），通过缩小岩土样品18大小与厚度，可减少核素用量，装置与样品小型化设计可减少潜在放射性污染问题，阳极电极3与阴极电极14可在岩土样品18两侧生成匀强电场，从而保证核素在电场下匀速迁移，调节电压即可控制核素在岩土介质中的扩散，采用花岗岩岩片20隔离阳极电解池4与源液池9、阴极电解池15与接收池19，可阻止源液池9与接收池19中核素向电解池迁移，也可阻止电解池中H+、OH-离子向源液池和接收池迁移，花岗岩岩片20的使用可消除电解池pH以及Eh变化对样品及核素形态、价态的影响，保证核素扩散环境稳定，选用聚四氟乙烯PTFE、聚碳酸酯(PC)以及氟橡胶等对核素吸附性较小的材料可有效降低实验装置对核素的吸附，阳极电解池4、阴极电解池15等不与核素接触部位选用有机玻璃材料，其机械强度高，透光性好，便于观察实验现象，采用蠕动泵实现源液池9、接收池19与外置容量瓶循环，通过更换外置容量瓶，可实现源相的定浓度注入与流出液的接收。

本发明的工作原理是：使用该基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置时，通过压片机压制膨润土样品将样品18装入样品池17中，随后将其置于真空饱和装置中，抽气1h，注入蒸馏水饱和7天，同时，将花岗岩岩片16浸泡在含有蒸馏水的烧杯中,煮沸10次，饱和7天，然后将其分别装入阳极隔离室8与阴极隔离室21中，并用环氧树脂粘接固定，各部件之间的氟橡胶O型圈10在压力作用下挤压变形，起到密封作用，采用蠕动泵将0.1mol/LNaNO3溶液注满源液池9与接收池19，排出装置内的气泡，将0.1mol/LNaNO3溶液注入阳极电解池4与阴极电解池15中，保证两电解池水平方向不存在气泡，将源液池9与接收池19用蠕动泵与外置容量瓶进行循环，流速为2ml/min，外置容量瓶中装有0.1mol/LNaNO3溶液，同时采用蠕动泵将阳极电解池4与阴极电解池15中电解质溶液进行循环，流速为2ml/min，在进行核素扩散实验前，先设置稳压直流电源电压为20V，通电12h，使整个实验体系中离子运移及溶液状态趋于平衡，实验体系达到平衡后，将装有核素U的容量瓶接入源液池9，每隔12h更换接收池19端的容量瓶进行取样，然后使用分析测试仪器对溶液中U的浓度进行测定，绘制核素的穿透曲线，并计算其在岩土介质中的扩散系数，通过缩小装置尺寸可有效减少装置对核素的吸附（传统扩散池源液池与接收池体积比在10:1，源液池体积越大其对核素吸附也越大），通过缩小岩土样品18大小与厚度，可减少核素用量，装置与样品小型化设计可减少潜在放射性污染问题，阳极电极3与阴极电极14可在岩土样品18两侧生成匀强电场，从而保证核素在电场下匀速迁移，调节电压即可控制核素在岩土介质中的扩散，采用花岗岩岩片20隔离阳极电解池4与源液池9、阴极电解池15与接收池19，可阻止源液池9与接收池19中核素向电解池迁移，也可阻止电解池中H+、OH-离子向源液池和接收池迁移，花岗岩岩片20的使用可消除电解池pH以及Eh变化对样品及核素形态、价态的影响，保证核素扩散环境稳定，选用聚四氟乙烯PTFE、聚碳酸酯(PC)以及氟橡胶等对核素吸附性较小的材料可有效降低实验装置对核素的吸附，阳极电解池4、阴极电解池15等不与核素接触部位选用有机玻璃材料，其机械强度高，透光性好，便于观察实验现象，采用蠕动泵实现源液池9、接收池19与外置容量瓶循环，通过更换外置容量瓶，可实现源相的定浓度注入与流出液的接收。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置，其特征在于：包括阳极电解池(4)、源液池(9)、阴极电解池(15)和岩土样品(18)，所述岩土样品(18)两侧均设置有接收池(19)，所述岩土样品(18)和接收池(19)之间设置有多孔滤片(12)，多孔滤片(12)分别放置于源液池(9)与接收池(19)凹槽内并紧贴岩土样品(18)，岩土样品(18)的顶部和底部均设置有样品池(17)，接收池(19)顶部和底部设置源液池(9)，左侧接收池(19)的左侧设置有阳极花岗岩岩片(16)，右侧接收池(19)的右侧设置有阴极花岗岩岩片(20)，阴极花岗岩岩片(20)的顶部和底部设置阴极隔离室(21)，阳极花岗岩岩片(16)的顶部和底部设置有阳极隔离室(8)，阴极隔离室(21)的右侧设置有阴极电解池(15)，阳极隔离室(8)的左侧设置有阳极电解池(4)，所述阳极隔离室(8)、源液池(9)、样品池(17)、岩土样品(18)、接收池(19)、阴极花岗岩岩片(20)和阴极隔离室(21)采用六角螺母(13)、等长双头螺柱(5)和法兰盘(7)固定，六角螺母(13)与等长双头螺柱(5)之间设置有垫片(6)，所述阳极电极(3)位于阳极电解池(4)内，阳极电解池(4)内设置有阳极溶液，且阳极溶液和阳极电极(3)连接电源正极，所述阴极电极(14)位于阴极电解池(15)内，阴极电解池(15)内设置有阴极溶液，且阴极极溶液和阴极电极(14)连接电源负极，所述岩土试样(18)位于样品池(17)内，所述源液池(9)与接收池(19)采用蠕动泵与外置容量瓶进行循环，所述源液池(9)与接收池(19)进口与出口处采用PEEK接头(11)与PTFE管路进行连接。

2.根据权利要求1所述的基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置，其特征在于：所述阴极电解池(15)和阳极电解池(4)上均安装有电解池盖板(2)，电解池盖板(2)上开设有电解池溶液交换孔(1)。

3.根据权利要求1所述的基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置，其特征在于：所述样品池(17)、源液池(9)、接收池(19)采用圆片式设计，其内部腔室直径为20mm，厚度为10mm。

4.根据权利要求1所述的基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置，其特征在于：所述阳极电极(3)与阴极电极(14)采用石墨平行板电极，其尺寸为100*50*3mm，阳极电极(3)与阴极电极(14)相对设置，阳极电极(3)垂直放置于阳极电解池(4)中，阴极电极(14)垂直放置于阴极电解池(15)中，且阳极电极(3)与阴极电极(14)相对平行，阳极电极(3)与阴极电极(14)截面积大于岩土样品(18)。

5.根据权利要求1所述的基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置，其特征在于：所述阳极电解池(4)内设置的阳极溶液为0.1mol/LNaNO3溶液，阴极电解池(15)内设置的阴极溶液为0.1mol/LNaNO3。

6.根据权利要求1或5所述的基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置，其特征在于：所述阳极电解池(4)与阴极电解池(15)中电解质溶液，均通过采用蠕动泵进行循环，以消除电解过程中阴、阳两极产生的H+、OH-。

7.根据权利要求1所述的基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置，其特征在于：所述岩土样品(18)与样品池(17)接触部分采用环氧树脂密封，阳极花岗岩岩片(16)与阳极隔离室(8)接触部分采用环氧树脂密封，阴极花岗岩岩片(20)与阴极隔离室(21)接触部分采用环氧树脂密封。

8.根据权利要求1或7所述的基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置，其特征在于：多孔滤片(12)采用聚四氟乙烯PTFE材料。

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