北山地下水中Tc的形態分布及影響因素

黃支剛，王永利，陸春海

成都理工大學 地球化學系，四川 成都 610059

隨著國家核電事業的發展，產生了越來越多的高放核廢物，高放核廢物中有大量的锝，其中99Tc是β放射體，半衰期為2.14×105a，能量為0.292 MeV，可在動物體內富集，對環境具有長期危害性[1]。麻省理工學院研究組研究尤卡山廢物處置庫后指出，Tc作為長期照射風險源比大多數錒系元素更重要，它在第一個7萬年間是主要貢獻者，因此Tc受到高放廢物地質處置的特別關注[2]。

核素主要在地下水中遷移，而Tc在地下水中的形態及分布是影響核素遷移的關鍵。很多學者對Tc在水溶液中的存在形態及分布做過研究，如：20世紀70年代Owunwanne等[3]研究了Tc在地下水中的存在形式；2003年Guillaumont等[4]更新了Tc的熱力學數據；章英杰等[5]進行了Tc溶解度的研究；劉德軍等[6]研究了Tc在介質中吸附與擴散方面的遷移行為。

目前北山作為國內首選的高放預選場址，本工作擬針對北山地下水中Tc的存在形態及影響形態分布的因素進行研究，以掌握Tc的遷移特性與規律。

1 模擬方法及其相關參數

1.1 模擬方法

由于Tc在地下水中的濃度很低，影響因素很多，形態分布很復雜，直接測量很困難，采用地球化學軟件可以方便快速的計算出核素的形態及分布[7]。

目前比較流行的地球化學模擬軟件有PHREEQC、GWB、EQ3/6等，其中PHREEQC憑借自身強大的模擬和計算能力、友好的界面等優勢贏得了很多地球化學家的喜愛。本工作把日本原子力學研究所于2010年9月公布的熱力學數據庫嵌入到PHREEQC中，進行北山地下水中Tc的存在形態研究，并研究不同pH、pe條件下對Tc的存在形態的影響，以了解Tc在地質介質中的遷移行為。

1.2 北山地下水的化學組分

以甘肅北山五一井地下水為例，進行北山地下水中Tc的存在形態及分布研究。地下水的水溫為12 ℃，pH=7.24，pe=5.8，地下水的詳細化學組分列于表1[8]。

1.3 Tc的熱力學數據準備

熱力學數據是計算水溶液中核素各種存在形態的基礎，準確而完備的相關熱力學數據可以使計算結果與實際情況更吻合。本次模擬所涉及的部分重要熱力學數據列于表2[4]。目前國際上對Tc的平衡常數的測定仍不夠準確，模擬用到的熱力學數據用表2中數值近似計算。

表1 北山五一井地下水化學成分[8]

表2 本次模擬所涉及的Tc的部分重要熱力學數據[4]

2 結果與討論

2.1 Tc的形態分布

假設Tc在地下水中的摩爾濃度為10-10mol/L，計算得到它在北山地下水中的形態分布列于表3。

表3 北山地下水中Tc的形態分布

2.2 pe對Tc形態分布的影響

北山地下水的氧化還原條件可以變化很大，它的pe在-3.2～8的范圍內變化[7]。當pe<0時，認為所處的環境是還原環境；pe>0時所處的環境是氧化環境。在12 ℃、pH=7.24、pe=-3～8條件下模擬Tc的形態及分布規律，模擬結果示于圖1。模擬選用Cl作為平衡電荷的元素，以下模擬實驗均相同。

圖1 pe對Tc存在形態及分布的影響

2.3 pH對Tc形態分布的影響

不同的氧化還原條件下Tc的形態分布不同，因此在不同氧化還原條件下，分別探討pH對其存在形態的影響。

2.3.1還原條件下pH對Tc形態的影響 仍然假定Tc的濃度是10-10mol/L，在t=12 ℃、pe=-2、pH=4.5～9.5條件下，模擬Tc的存在形態及分布規律，模擬結果示于圖2。

圖2 還原條件下pH對Tc形態的影響

3 結 論

(3) 在pH=7.24，pe=-3～-0.5的還原環境下，Tc以TcO(OH)2形態占優，其次為TcCO3(OH)2，兩者所占摩爾百分含量分別為92.7%與6.4%。

(5) pe=-0.5～0.1的過渡區間，pe對Tc的存在形態影響較大；pe=-3～-0.5區間，pe對Tc的存在形態影響很小。

[1] 強亦忠.簡明放射化學教程[M].北京：原子能出版社，1989：259-260.

[2] 潘自強,錢七虎.高放廢物地質處理戰略研究[M].北京：原子能出版社，2009：273-290.

[3] Owunwanne A,Marinsky J,Monte B. Charge and Nature of Technetium Species Produced in the Reduction of Pertechnetate by Stannous Ion99Tcm[J]. J Nul Med,1997,18(11): 1 099-1 105.

[4] Guillaumont R,Fangh?nel T,Fuger J,et al. Update on the Chemical Thermodynamics of Uranium,Neptunium,Plutonium,Americium and Technetium[R]. Amsterdam: North Holland Elsevier Science Publishers B.V.,2003.

[5] 章英杰,蘇錫光,曾繼述,等.Tc(Ⅳ)在地下水中的溶解度測定[M]∥中國原子能科學研究院年報.北京：原子能出版社,2004:137-137.

[6] 劉德軍,范顯華,章英杰,等.99Tc在Ca-基膨潤土中的吸附行為[J].核科學與工程，2004,24(2)：144-151.

[7] 貫鴻志,張振濤,蘇錫光,等.北山地下水中Am的形態分布研究[J].核化學與放射化學，2009,31(2):121-124.

[8] 王 駒,范顯華,徐國慶,等.中國高放廢物地質處置十年進展[M].北京:原子能出版社，2004：85-86.