铝硼硅酸盐玻璃固化体溶解过程的研究.pdf

秦建法等:侣硼硅酸盐玻璃固化体渀解过程的研
19093
文章编号:1001-9731(12015)19-19093-05
铝硼硅酸盐玻璃固化体溶解过程的研究
秦建法,廖其龙,陈奎儒,王辅,代云雅1,潘社奇2,蒋宏宇8
(1.西南科技大学材料科学与工程学院,四川绵阳621010
2.表面物理与化学国家重点实验室,四川绵阳621907;
3.西南科技大学计算机科学与技术学院,四川绵阳621010)
摘要:采用蒙特卡洛方法,研究了铝硼硅酸盐玻璃过程。在 Aertsensls改进的模型中将玻璃的组分化分
固化体中硅、硼和铝元素的浸出情況。为了验证模拟为易溶和雄溶两大类,通过这样的分类,可以模拟非化
结果的准确性,采用全谱直读等离子体发射光语(ICP-学计量的玻璃溶解。 Devrcux等?开发的模型采用
OES)测试了铝硼硅酸盐玻璃固化体漫出液中硅、硼和平行六而体结构来模拟玻璃的结构,进而提高了解决
铝元素的浓度。模拟结果和实验结果都表明,溶液中大体系问题的能力。中国原子能科学院的张华等利
硅的浓度会达到一定的饱和值,在溶解析出的动态过用蒙特卡洛法模拟了玻璃固化体在14d浸出过程中
程中,玻璃表面会形成胶体层,该胶体层产生的阻碍效的腐蚀深度,并与地球化学模型的结果进行比较,具有
应会限制硼和铝的溶解。最终各元素都将达到稳定的艮好的一致性。中国辐射防护院的熊小伟等用蒙特
平衡状态。模拟结果与实验结果符合的很好,定量再卡洛法模拟了不同pH值条件下玻璃的浴解行为,并
现了玻璃固化体的溶解过程
与实验结果进行比较,模拟结果与实验结果符合的较
关键词:蒙特卡洛;铝硼硅酸盐;玻璃固化体;溶解
好。近几年, Kerisit22用蒙特卡洛模拟对铝硼硅酸
中图分类号:O64
文献标识码;A盐玻璃在水中的溶解行为以及腐蚀情况做了较为详细
DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2015.19.020
的研究
引言
本文采用蒙特卡洛法,通过建立简化的玻璃结构
模型和计算程序,模拟玻璃与水的反应动力学过程,进
高放废物的处置安全关系到核工业可持续发展和而模拟玻璃固化体在去离子水中的浸出过程。为高放
人类环境与健康安全,深层地质处置是目前最切实可废物固化体深层地质处置安全评价方法学,建立源项
行的最终处置方案,然而在地质处置的漫长时间跨度的计算方法
内,当各种地质屏障失去作用后,固化体就可能与水接
触,受到地下水的作用而发生溶解,从而引起核素的浸
实验
出,对高放废物玻璃間化体安全性和耐久性的主要2.1固化体配方
评价指标是各种核素的浸出率。因此研究高放废物玻
实验用玻璃固化体成分见表1所刀
璃固化体与地下水的相互作用对高放废物深层地质处
表1玻璃固化体氧化物的组成
置安全具有重要的意义。
Table 1 Basic oxide composition of the glass solid
近年来,随着计算机技术的迅速发展,一些以计算
Itation
机计算结合物质微观结构及统计学的新模拟方法应运
成分质量分数/%成分质量分数/%
而生,主要有分子动力学方法、蒙特卡洛法、模糊系统
16.0
法和神经网络法等。其中蒙特卡洛方法的基本思想
18.0
Cao
A,O
Zno
3.0
是当所求问题是某个数学变量的数学期望,或是与概
Gd. O
率期望相关的量时,通过某种实验方法,得出该事件发
K,()
3.0
Ceo
生的频率,或者该随机变量若干个具体观察值的算数2.2固化体制备
平均值,通过它得到问题的解。用蒙特卡洛法模拟玻
按表1中玻璃配方进行配料,将配合料磨细、混合
璃溶解行为最早由 Grambow"提出,其只考虑了单均匀,置于粘土坩埚中在高温炉中以1℃/min升温到
组分硅的四面体结构,并将过渡态理论引人到玻璃的120℃,在120℃保温1h,然后以1℃/min升温到
溶解模型中,通过键的断裂和复合来模拟玻璃的溶解1200℃,保温3h,将熔制好的玻璃液浇注到已预热
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2012CB722707);国家自然科学基金资助项目(91126015);西南科
技大学资助项目(132x7130,11zx2101)
收到初稿日期:2014-10-20
收到修改稿日期:2015-03-05
通讯作者:廖其龙,E-mail:liaoqilong@swust.edu.cn
作者简介:秦建法(1986一),男,山西朔州人,在读硕士,师承廖其龙教授,从事玻璃固化体浸出行为分子模拟研究。
19094
ク
2015年第19期(46)卷
到600℃左右的10mmX10mmメ10mm模具中。92.74mL。其中玻璃表面积与水的体积比SA/V为
然后将浇注好的玻璃试样与450℃退火处理1h,制备10cm1。将装好浸出剂和试样的容器,拧紧后分判放
出所需要的玻璃固化体,用抛光机抛光表面,并用超声入预先升温至(90士2)℃的烘箱中。24h后取出容
去离子水清洗3min,再用乙醇清洗3min。最后,将器,拧紧容器盖,放回烘箱中。实验中要检测容器中浸
清洗干浄的试样放人110℃烘箱烘干至恒重备用
出剂是否有泄漏。等达到预定实验时间(1,3,7,14
2.3检测与分析
30,60,90,120…按天计)后取出容器,用ICP方法分析
试样的化学稳定性按放射性废物固化体长期浸出各元素的浸出量,包括Si、B、Al。
实验(国家标准(GB7023-86)标准进行。测试所用玻璃2.4测试数据
固化体块体表而积的平均值为9.274cm2,玻璃样品质
固化体试样在去离子水中不同实验周期各元素的
量的平均值为4.464g,加人水的体积平均值为浸出浓度见表2所示。
表2固化体试样在去离子水中不同实验周期主要元素的浸出浓度(单位:g/mL-)
Table 2 The lcaching concentration of main clements for solidifition in deionized water under differcnt experi
mental conditions(Unit: g/ml)
元素
元素
Si
Si
天效
0,000
0,000
0.000
360
6.314
21.521
0,035
0,000
1.233
6.09
21,231
6.813
0,169
1.315
480
6.313
1.882
0,1
6.44
20.811
3,607
2.811
21,140
180
6.865
2,488
2.91
6.773
21.421
2.564
6,154
20.702
2.137
6.647
21.619
2,246
6.931
720
6.983
21.493
330
2.332
22.041