科研進展
云母礦物風化和吸附協(xié)同調(diào)控放射性銫的環(huán)境行為研究取得新進展
在切諾貝利和福島核事故后，放射性銫（RCs）的地球化學行為引起了全球科學家的關注。由于RCs的半衰期長、放射毒性強、極易在食物鏈中傳遞和積累，環(huán)境系統(tǒng)中RCs的遷移、轉(zhuǎn)化和循環(huán)等地球化學過程是放射性污染防控、核環(huán)境安全和核應急等領域重點關注的科學問題之一。云母類礦物是控制RCs環(huán)境地球化學行為的關鍵因素之一，RCs在云母類礦物表面的吸附過程和微觀機制已經(jīng)較為清楚。但是，云母類礦物風化過程如何調(diào)控RCs的環(huán)境行為，RCs的吸附過程如何影響云母類礦物結構以及如何響應云母風化過程等問題尚不清楚。這些問題對環(huán)境系統(tǒng)中RCs的時空演化、遷移轉(zhuǎn)化和環(huán)境風險的預測和評估造成了挑戰(zhàn)。
針對上述問題，中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院（以下簡稱“西北研究院”）范橋輝研究團隊系統(tǒng)研究了云母礦物風化和RCs吸附之間的相互作用過程和機制，模擬了云母礦物和Cs吸附的三種典型反應體系，即（1）云母礦物先風化，后吸附Cs；（2）云母礦物先吸附Cs，后發(fā)生風化作用；（3）云母礦物風化和Cs同時發(fā)生。重點考察了不同反應體系中云母礦物結構和Cs的吸附形態(tài)的變化規(guī)律，闡明了云母礦物結構穩(wěn)定性與Cs吸附的內(nèi)在關系，揭示了云母礦物風化和Cs吸附的微觀作用機制（如圖1所示）。研究結果表明：風化作用和Cs吸附的先后次序顯著影響Cs的吸附量、微觀吸附形態(tài)和云母礦物的結構穩(wěn)定性。相比于新鮮云母礦物，體系（1）中Cs的吸附量有所下降，而體系（2）和（3）中Cs的吸附量顯著增大。無論風化和吸附的順序如何，風化作用可促進云母礦物產(chǎn)生更多的強親和力位點，提高了Cs在云母礦物表面的強吸附態(tài)比例，降低了Cs的遷移和轉(zhuǎn)化能力。Cs在云母礦物層間結構的吸附，可誘導層間結構發(fā)生不同程度的塌陷（形成了更加穩(wěn)定的結構），顯著提升了云母礦物的耐風化能力。研究成果進一步完善了RCs在云母類礦物表面的吸附理論，為區(qū)域放射性污染治理和防控等提供了理論基礎。
相關研究成果以 Interactions between micaceous minerals weathering and cesium adsorption 為題發(fā)表在環(huán)境科學領域權威期刊 Water Research。西北研究院特別研究助理王威博士為論文第一作者，范橋輝研究員為通訊作者。該研究獲國家自然科學基金（21876172和21906073）、中科院青年創(chuàng)新促進會、中科院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃、自然資源部黃河上游戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源重點實驗室和甘肅省油氣資源研究重點實驗室共同資助。
圖1 云母風化與Cs吸附相互作用機制圖
