模擬降雨對鈾在土壤中的遷移轉化影響研究

姚逸暉，陳井影*，吳瀛灝，張 蔚

(1.東華理工大學省部共建核資源與環境國家重點實驗室，330013，南昌;2.東華理工大學水資源與環境工程學院，330013，南昌)

0 引言

隨著核能的發展，重要的核燃料鈾也被大量開采，鈾污染問題日益嚴重。土壤作為最基本和最重要的生態系統的一個組成部分，也受到嚴重污染[1]。進行土柱鈾動態遷移實驗，可以總結出放射性核素鈾的遷移和轉化規律，更準確地預測和評價鈾在生態環境中的遷移和轉化。既可以為放射性廢物的釋放提供了有效的環境評估，還為各種放射性廢物處置場的設計與安全評價提供重要的理論基礎[2－4]。國內外一些學者對鈾在土壤中遷移已有研究[5－11]。本文選取鈾尾礦庫下游農田土壤，采用土柱淋濾實驗模擬降雨作用下鈾在土壤中的遷移和形態轉化。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與預處理

采集鈾尾礦庫下游的農田土壤，先進行風干處理，去除石礫、植物根莖等雜物，再研磨土壤并過100目篩備用。測得土壤樣品的pH為4.63，總鈾為9.52 mg/kg。

1.2 實驗裝置

本實驗裝置如圖1為內徑40 mm，高450 mm，設置有9個取土樣孔的有機玻璃管，共5根。實驗裝置上下兩端裝填約2 cm厚的石英砂層(粒徑1.0～2.0 mm)，作為過濾層;中間部分裝填土樣約400 mm。

采樣區年降水量約1 773 mm，故設計每天50 mL、100 mL、150 mL淋濾量淋濾14 d模擬實際4個月、8個月、12個月降雨對土壤中鈾的影響。本文研究土壤中不同形態鈾的遷移轉化與淋濾量、淋濾液pH的關系，共設計5個土柱。1、2、3號柱分別用pH5.6的清水以每天50 mL、100 mL、150 mL淋濾;4、5號柱分別用pH4.0、pH7.0的清水以每天150 mL淋濾。土柱土壤用純水潤濕后借助蠕動泵控制淋濾速度。

圖1 實驗裝置示意圖

1.3 測定方法

土樣總鈾的測定采用激光熒光法:土壤樣品用硝酸、氫氟酸和高氯酸消解，鈾以鈾酰離子的形式存在于溶液中。在pH為7～9時與熒光試劑絡合物在氮分子激光器的脈沖激光(337.1 nm)激發下，發射綠色熒光，其強度與樣品溶液中的鈾濃度成比例[12]。鈾含量通過標準加入法來確定。

鈾的各相態提取方法采用由Tessier五步提取法基礎上修改的逐級化學提取法[13]。

1.4 儀器與試劑

主要儀器:蠕動泵(BT100－2J);純水機(Smart－Q30);恒溫水浴鍋(HH－6);微量鈾分析儀(WGJ－III);消解爐(KDNX－20)等。

主要試劑:硝酸;氫氟酸;高氯酸;乙酸;鹽酸羥胺等。

2 結果與討論

2.1 淋濾量對各土層總鈾的影響

由圖2可知，在不同土層深度中總鈾積累也存在差異。淋濾量為50 mL/d的土柱鈾含量整體上都偏高于其它淋濾量土柱，即50 mL/d最高，100 mL/d的次之，150 mL/d的最低;在土層深度200 mm以上的深度時，3種淋濾量對土層中總鈾積累的影響具有相同趨勢;而在土層深度達250 mm以下時，淋濾量100 mL/d、150 mL/d的土柱總鈾濃度的波動具有相同趨勢，土層中鈾含量降低。這表明淋濾量越大(即降雨越多)，土壤鈾含量越低，鈾遷移出土柱;淋濾量50 mL/d時，土層深度250 mm以下的土層鈾含量上升。這是由于鈾的遷移速度較慢，在土層深處累積。

圖2 各土層總鈾含量隨淋濾量變化趨勢

2.2 淋濾液pH對各土層總鈾的影響

如圖3所示，隨著土層深度的增加，總鈾濃度均出現較大波動，但整體上總鈾濃度隨著淋濾液pH降低而降低。其中淋濾液pH4.0土柱的鈾濃度最高點在3根土柱中土層深度最大的地方，即遷移的距離最遠，說明淋濾液pH值越小，淋濾的效果越好(即酸雨會促進鈾往土壤下層遷移)。可能在酸性條件下鈾多以游離態(UO22+)的形式存在，而酸性淋濾液中含有較多的H+離子，H+與UO22+競爭土壤上有限的負電位活性位點，從而抑制UO22+與土壤表面負電位點位的結合，使鈾在該柱里更易發生遷移，故遷移的距離最遠。在土柱335 mm處，鈾濃度出現升高，可能是淋濾液在土柱下端的流速較為緩慢，UO22+與土壤中的OH－、HCO3－、CO2等更易形成[(UO2)2CO3(OH)3]－等鈾酰絡合物并隨著淋濾液流動后在該處發生沉淀，導致該處鈾的濃度出現升高跡象。

圖3 各土層總鈾含量隨淋濾液pH變化趨勢

2.3 淋濾量對土壤各形態鈾遷移轉化的影響

如圖4所示，隨著淋濾量的增加，可交換態(水溶態)、碳酸鹽結合態和有機質結合態鈾明顯減少;無定型鐵錳氧化物/氫氧化物結合態和殘渣態鈾有所增加;晶質鐵錳氧化物/氫氧化物結合態鈾保持穩定的含量。這是由于可交換態(水溶態)和碳酸鹽態鈾易于在土壤中遷移，是活性鈾;且有一定量的可交換態(水溶態)和碳酸鹽態鈾轉化成為無定型鐵錳氧化物/氫氧化物結合態及殘渣態鈾。其中可交換態(水溶態)與碳酸鹽結合態鈾隨淋濾量的增加而不斷減少，說明可交換態(水溶態)與碳酸鹽結合態鈾很容易被淋濾液淋洗出來，且淋濾量越大，可交換態(水溶態)鈾與碳酸鹽結合態鈾遷移的速度越快。即降雨量對可交換態(水溶態)鈾與碳酸鹽結合態鈾的影響最大。

圖4 不同淋濾量對土樣鈾形態分布影響百分比圖

2.4 淋濾液pH對土壤各形態鈾遷移轉化的影響

由圖5可知，不同pH淋濾液淋濾后，可交換態(水溶態)鈾和碳酸鹽結合態鈾隨淋濾液pH上升含量增加，說明淋濾液pH能有效影響可交換態(水溶態)和碳酸鹽結合態鈾的遷移，且隨著pH的增大，可交換態(水溶態)與碳酸鹽結合態鈾向其它形態鈾遷移的能力越弱。無定型鐵錳氧化物/氫氧化物結合態和殘渣態鈾隨著淋濾液pH的上升而減少，與可交換態(水溶態)鈾和碳酸鹽結合態鈾相反，說明酸雨會促進可交換態(水溶態)鈾和碳酸鹽結合態鈾向無定型鐵錳氧化物/氫氧化物結合態鈾和殘渣態鈾轉化。

圖5 不同pH淋濾液對土樣鈾形態分布影響百分比圖

3 結論

1)經不同淋濾量淋濾后土壤總鈾濃度隨著土層深度的增大均出現不同的波動，總體上淋濾量越大，土壤上層中鈾含量越低。即降雨量越大土壤中鈾越容易向下遷移。

2)經不同pH淋濾液淋濾后土壤總鈾濃度隨著土層深度的增大出現較大的波動，但總體上總鈾濃度隨著淋濾液pH降低而降低。即酸雨會促進土壤中鈾的遷移。

3)經不同淋濾量淋濾后，土壤可交換態(水溶態)、碳酸鹽結合態及有機質結合態鈾隨著淋濾量的增大而減少;而無定型鐵錳氧化物/氫氧化物結合態及殘渣態鈾隨著淋濾量的增大而上升，晶質鐵錳氧化物/氫氧化物結合態鈾不變。即降雨量越大土壤活性鈾越容易轉化為非活性鈾。

4)經不同pH淋濾液淋濾后，土壤可交換態(水溶態)與碳酸鹽結合態鈾含量隨淋濾液pH的降低逐漸減少;有機質結合態鈾、無定型鐵錳氧化物/氫氧化物結合態鈾，晶質鐵錳氧化物/氫氧化物結合態鈾含量較穩定;殘渣態鈾隨淋濾液pH的降低逐漸升高，與可交換態(水溶態)鈾與碳酸鹽結合態變化相反，說明酸雨會促使土壤中活性鈾轉化為非活性鈾。