CN115888638B - 一种硫碱钙霞石及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硫碱钙霞石及其制备方法与应用，所述制备方法包括以下步骤：S1：将粉煤灰、氢氧化钠、硝酸钠溶于去离子水中，在水浴条件下搅拌混合；S2：将搅拌混合后的混合液转移至反应釜内，在85‑95℃条件下陈化结晶24h；S3：冷却后打开所述反应釜，倒出上清液后取出底部沉淀，并对所述底部沉淀采用无水乙醇进行清洗，待所述无水乙醇挥发完毕后得到硫碱钙霞石。本发明能够制得高纯度的硫碱钙霞石，为简化核素迁移模型提供技术支持。

Description

一种硫碱钙霞石及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及放射性核素处理技术领域，特别涉及一种硫碱钙霞石及其制备方法与应用。
背景技术
核电作为生产过程不排放温室气体、能量密度高且无间隙性的清洁能源，逐渐成为第二大低碳电源。然而，核电站及后处理厂等核设施产生的放射性废物对生物体有巨大危害。核电产生的放射性废物分为放射性废液和放射性固体废弃物，其中放射性废液由于含有大量可溶性钠盐以及核素137Cs、90Sr。在长期储存过程中，高盐高碱环境的放射性废液对储罐有极强的腐蚀性。因此，对于放射性废液必须采取安全长效的处置方法。
放射性废液中，核素137Cs、90Sr这两类衰变释热量大的放射性核素，在自然变迁和外界干扰下，极易随地下水进入环境造成放射性污染。现有处理放射性核素的大体积固化基材内部复杂且物相不单一，包括硫碱钙霞石、Na-P1型沸石、菱沸石、八面沸石等多种物相。而不同物相对核素有着不同的吸脱附行为，为研究核素在大体积固化基材内部的吸脱附迁移机制造成了巨大困难。若能合成产物相对单一的物相用于开展核素的吸脱附性能研究，将降低由于大体积固化基材中物相复杂造成核素迁移行为研究的难度，为简化核素迁移模型提供一种切实有效的途径。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种硫碱钙霞石及其制备方法与应用，所述制备方法能够制备得到高纯度的硫碱钙霞石，为研究核素迁移模型提供技术支持。
本发明的技术方案如下：
一方面，提供一种硫碱钙霞石的制备方法，包括以下步骤：
S1：将粉煤灰、氢氧化钠、硝酸钠溶于去离子水中，在水浴条件下搅拌混合；
S2：将搅拌混合后的混合液转移至反应釜内，在85-95℃条件下陈化结晶24h；
S3：冷却后打开所述反应釜，倒出上清液后取出底部沉淀，并对所述底部沉淀采用无水乙醇进行清洗，待所述无水乙醇挥发完毕后得到硫碱钙霞石。
作为优选，步骤S1中，所述氢氧化钠的用量的要求为：使混合液的碱度与放射性废液的碱度保持一致，所述硝酸钠的用量的要求为：使混合液的硝酸钠含量与放射性废液中的硝酸钠含量保持一致。
作为优选，当混合液的碱度为2mol/L时，所述硝酸钠的浓度为200-500g/L；当混合液的碱度为4-6mol/L时，所述硝酸钠的浓度为100-500g/L。
作为优选，步骤S1中，所述水浴条件的温度为60℃±3℃。
作为优选，步骤S1中，在水浴条件下搅拌混合的时间为8h。
作为优选，步骤S2中，陈化结晶的温度采用90℃。
另一方面，还提供一种上述任意一种所述的硫碱钙霞石的制备方法制备而成的硫碱钙霞石，以及所述硫碱钙霞石作为放射性核素吸脱附剂的应用。
本发明的有益效果是：
本发明能够以粉煤灰为原料，原位合成高纯度的硫碱钙霞石，降低构建大体积固化基材中核素迁移模型的难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1-图5为实施例1-实施例5制备得到的产品的X射线衍射仪分析结果示意图；
图6为实施例6-实施例8制备得到的产品的X射线衍射仪分析结果示意图；
图7为实施例9-实施例11制备得到的产品的X射线衍射仪分析结果示意图；
图8为实施例12-实施例14制备得到的产品的X射线衍射仪分析结果示意图；
图9-图12为对比例1-对比例4制备得到的产品的X射线衍射仪分析结果示意图；
图13为实施例1制备得到的产品的扫描电镜形貌分析结果示意图；
图14为对比例1制备得到的产品的扫描电镜形貌分析结果示意图；
图15为对比例2制备得到的产品的扫描电镜形貌分析结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
一方面，本发明提供一种硫碱钙霞石的制备方法，包括以下步骤：
S1：将粉煤灰、氢氧化钠、硝酸钠溶于去离子水中，在水浴条件下搅拌混合；
在一个具体的实施例中，所述氢氧化钠的用量的要求为：使混合液的碱度与放射性废液的碱度保持一致，所述硝酸钠的用量的要求为：使混合液的硝酸钠含量与放射性废液中的硝酸钠含量保持一致。可选地，当混合液的碱度为2mol/L时，所述硝酸钠的浓度为200-500g/L；当混合液的碱度为4-6mol/L时，所述硝酸钠的浓度为100-500g/L。以40mL的去离子水为例，S1中硝酸钠含量和氢氧化钠用量如表1和表2所示：
表140ml去离子水溶解不同质量浓度的硝酸钠用量
溶液浓度(g/L) 100 200 300 400 500
硝酸钠含量(wt.％) 9.40 17.50 25.31 32.14 38.37
硝酸钠使用量(g) 4.15 8.48 13.55 18.94 24.90
表240ml去离子水对应不同碱度NaOH用量
溶液碱度(mol/L) 0.66 2.00 4.00 6.00
氢氧化钠含量(g) 1.06 3.23 6.45 9.68
在一个具体的实施例中，所述水浴条件的温度为60℃±3℃，在水浴条件下搅拌混合的时间为8h。
S2：将搅拌混合后的混合液转移至反应釜内，在85-95℃条件下陈化结晶24h；
本发明的陈化结晶温度85-95℃与大体积固化基材的中心反应温度一致，其能够使本发明制备得到的成品与大体积固化基材中的硫碱钙霞石一致，为降低由于大体积固化基材中物相复杂造成核素迁移行为研究的难度提供技术支持。在一个具体的实施例中，所述陈化结晶的温度采用90℃。
S3：冷却后打开所述反应釜，倒出上清液后取出底部沉淀，并对所述底部沉淀采用无水乙醇进行清洗，待所述无水乙醇挥发完毕后得到硫碱钙霞石。
另一方面，本发明还提供一种上述任意一种所述的硫碱钙霞石的制备方法制备而成的硫碱钙霞石，以及所述硫碱钙霞石作为放射性核素吸脱附剂的应用。
实施例1
一种硫碱钙霞石，采用以下步骤制备而成：采用火电厂产生的粉煤灰为原料，将5g粉煤灰、6.45g氢氧化钠(片状)、4.15g硝酸钠(粉末)加入到40g去离子水中，在60℃±3℃水浴、300r/min磁力搅拌的实验环境下水浴加热搅拌8h。将解离后的粉煤灰浑浊液转移到内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜内，然后将所述高压反应釜置于电热恒温鼓风干燥箱中，设定温度为90℃。陈化结晶24h后，倒掉上清液。取出下部沉淀加入无水乙醇洗涤两次，第三次加入无水乙醇淹没沉淀，待无水乙醇自然蒸发完毕得到所述硫碱钙霞石。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例添加的氢氧化钠(片状)为3.23g，添加的硝酸钠(粉末)为8.48g。
实施例3
与实施例1不同的是，本实施例添加的氢氧化钠(片状)为6.45g，添加的硝酸钠(粉末)为8.48g。
实施例4
与实施例1不同的是，本实施例添加的氢氧化钠(片状)为9.69g。
实施例5
与实施例1不同的是，本实施例添加的氢氧化钠(片状)为9.69g，添加的硝酸钠(粉末)为8.48g。
实施例6-8
与实施例2不同的是，实施例6-8添加的硝酸钠(粉末)分别为13.55g、18.94g、24.90g。
实施例9-11
与实施例3不同的是，实施例9-11添加的硝酸钠(粉末)分别为13.55g、18.94g、24.90g。
实施例12-14
与实施例4不同的是，实施例12-14添加的硝酸钠(粉末)分别为13.55g、18.94g、24.90g。
对比例1
与实施例1不同的是，本对比例未添加硝酸钠(粉末)。
对比例2
与实施例2不同的是，本对比例未添加硝酸钠(粉末)。
对比例3
与实施例1不同的是，本对比例添加的氢氧化钠(片状)为3.23g。
对比例4
与实施例4不同的是，本对比例未添加硝酸钠(粉末)。
采用X射线衍射仪对各实施例和各对比例制备得到的产品进行分析，结果如图1-图12所示，其中部分产品的相对结晶度如表1所示：
表1部分实施例和各对比例制备得到的产品物相结果及相对结晶度结果
从图1-图12和表1可以看出，本发明能够制得高纯度的硫碱钙霞石。
采用扫描电镜对实施例1和对比例1、对比例2制备得到的产品进行形貌分析，结果如图13-图15所示。从图13-图15可以看出，本发明制备得到的硫碱钙霞石结晶度较好。
采用实施例1制备得到的产品对放射性废液进行吸脱附，其对核素Sr的平衡吸附量等于31.23mg/g。由此可以看出，本发明能够对放射性废液进行吸脱附，为降低构建大体积固化基材中核素迁移模型的难度提供技术支持。
综上所述，本发明能够以粉煤灰为原料，原位合成高纯度的硫碱钙霞石，降低构建大体积固化基材中核素迁移模型的难度。与现有技术相比，本发明具有显著的进步。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种硫碱钙霞石的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将粉煤灰、氢氧化钠、硝酸钠溶于去离子水中，在水浴条件下搅拌混合；所述氢氧化钠的用量的要求为：使混合液的碱度与放射性废液的碱度保持一致，所述硝酸钠的用量的要求为：使混合液的硝酸钠含量与放射性废液中的硝酸钠含量保持一致；
当混合液的碱度为2mol/L时，所述硝酸钠的浓度为200-500g/L；当混合液的碱度为4-6mol/L时，所述硝酸钠的浓度为100-500g/L；
S2：将搅拌混合后的混合液转移至反应釜内，在85-95℃条件下陈化结晶24h；
S3：冷却后打开所述反应釜，倒出上清液后取出底部沉淀，并对所述底部沉淀采用无水乙醇进行清洗，待所述无水乙醇挥发完毕后得到硫碱钙霞石。
2.根据权利要求1所述的硫碱钙霞石的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述水浴条件的温度为60℃±3℃。
3.根据权利要求2所述的硫碱钙霞石的制备方法，其特征在于，步骤S1中，在水浴条件下搅拌混合的时间为8h。
4.根据权利要求1所述的硫碱钙霞石的制备方法，其特征在于，步骤S2中，陈化结晶的温度采用90℃。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的硫碱钙霞石的制备方法制备而成的硫碱钙霞石。
6.如权利要求5所述的硫碱钙霞石作为放射性核素吸脱附剂的应用。
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