一种判断固化基材抗浸出稳定性能的方法

1.本发明涉及高放射性废物固化技术领域，尤其涉及一种判断固化基材抗浸出稳定性能的方法。


背景技术：

2.为了防止核电运行产生的高放射性废物进入生物圈，人们将高放射性废物固化在玻璃体中，固溶有高放射性废物的玻璃体被称为玻璃固化体。硼硅酸盐玻璃作为最具工业化应用前景的高放射性废物的固化基材，其中的放射性核素主要以浸出方式进入生物圈，因此玻璃固化体的抗浸出稳定性直接关系到高放射性废物的长期安全处置。
3.现有技术对玻璃固化体的抗浸出性能评价通常是将玻璃浸出后的浸出液使用电感耦合等离子体发射光谱(icp-oes)或电感耦合等离子体质谱(icp-ms)手段来测量其中的元素含量，来评价浸出样品的抗浸出性能，这些方法使用成本高，测量较为复杂。尤其是在仅需要粗略评价浸出性能的时候成本较高，例如在进行固化基材配方研究的时候。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种判断固化基材抗浸出稳定性能的方法。本发明提供的方法操作简单，能够对固化基材的抗浸出稳定性能进行粗略判断。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种判断固化基材抗浸出稳定性能的方法，包括以下步骤：
7.将待测固化基体置于水中，进行浸出，对得到的浸出液进行激光照射，观察浸出液是否存在丁达尔现象；
8.当所述待测固化基体浸出3天以内，所得浸出液观察到丁达尔现象，则判定所述待测固化基体为易浸出基体；
9.当所述待测固化基体浸出3～7天，所得浸出液观察到丁达尔现象，则判定所述待测固化基体为临界基体；
10.当所述待测固化基体浸出7天，所得浸出液未观察到丁达尔现象，则判定所述待测固化基体为难浸出基体。
11.优选地，所述待测固化基体包括硅基玻璃固化基体；所述硅基玻璃固化基体包括硼硅酸盐玻璃。
12.优选地，所述浸出液中元素包括硅、硼和钠中的一种或多种。
13.优选地，所述浸出的温度为40～90℃。
14.优选地，所述待测固化基体置于水中之前，还包括进行预处理；所述预处理包括：依次进行去应力处理和抛光。
15.优选地，所述去应力处理包括依次进行熔融和退火处理；所述退火处理的温度为400～550℃，时间为12～48h。
16.本发明提供了一种判断固化基材抗浸出稳定性能的方法，包括以下步骤：将待测
固化基体置于水中，进行浸出，对得到的浸出液进行激光照射，观察浸出液是否存在丁达尔现象；当所述待测固化基体浸出3天以内，所得浸出液观察到丁达尔现象，则判定所述待测固化基体为易浸出基体；当所述待测固化基体浸出3～7天，所得浸出液观察到丁达尔现象，则判定所述待测固化基体为临界基体；当所述待测固化基体浸出7天，所得浸出液未观察到丁达尔现象，则判定所述待测固化基体为难浸出基体。本发明将待测固化基体置于水中进行浸出后，待测固化基体中的元素硅、硼和钠中的一种或多种会进入到水中，当硅、硼和钠的浓度累积到一定浓度会形成胶体，利用激光进行照射时，会出现丁达尔现象，进而可以根据待测固化基体浸出所得浸出液出现丁达尔现象的时间长短，对待测固化基体的抗浸出稳定性能进行初步判断；当需要进一步具体的或者更详细的抗浸出稳定性能时，可以采用现有技术中的icp-oes法或icp-ms法进行进一步确定。本发明提供的方法，操作简单。
附图说明
17.图1为本发明使用的浸出实验装置结构示意图；
18.图2为浸出液中硅、钠和硼的总浓度随浸出时间的变化图；
19.图3为本发明进行激光照射使用的装置结构示意图；
20.图4为浸出液的丁达尔效应观测图。
具体实施方式
21.本发明提供了一种判断固化基材抗浸出稳定性能的方法，包括以下步骤：
22.将待测固化基体置于水中，进行浸出，对得到的浸出液进行激光照射，观察浸出液是否存在丁达尔现象；
23.当所述待测固化基体浸出3天以内，所得浸出液观察到丁达尔现象，则判定所述待测固化基体为易浸出基体；
24.当所述待测固化基体浸出3～7天，所得浸出液观察到丁达尔现象，则判定所述待测固化基体为临界基体；
25.当所述待测固化基体浸出7天，所得浸出液未观察到丁达尔现象，则判定所述待测固化基体为难浸出基体。
26.在本发明中，所述待测固化基体置于水中之前，优选还包括进行预处理；所述预处理包括：依次进行去应力处理和抛光。在本发明中，所述去应力处理优选包括依次进行熔融和退火处理；本发明对所述熔融的温度和时间不做具体限定，只要能够将待测固化基体熔融即可。在本发明中，所述退火处理的温度优选为400～550℃，进一步优选为450～500℃；时间优选为12～48h，进一步优选为24～36h。本发明对所述抛光的参数不做具体限定，采用本领域技术人员熟知的抛光参数即可。
27.在本发明中，所述待测固化基体优选包括硅基玻璃固化基体；所述硅基玻璃固化基体优选包括硼硅酸盐玻璃。
28.在本发明中，所述水优选包括去离子水或蒸馏水。
29.在本发明中，所述浸出的温度优选为40～90℃，进一步优选为50～80℃，更优选为60～70℃。
30.在本发明中，所述浸出液中元素优选包括硅、硼和钠中的一种或多种。在本发明
中，当所述浸出液中元素总浓度≥166mg/l，出现丁达尔现象；对于同时含有硅、硼和钠的待测固化基体，所述浸出液中的元素包括硅、硼和钠；对于同时含有硅和硼的待测固化基体，所述浸出液中的元素包括硅和硼；对于同时含有硅和钠的待测固化基体，所述浸出液中的元素包括硅和钠；对于同时含有硼和钠的待测固化基体，所述浸出液中的元素包括硼和钠；对于只含有硅、硼或钠的待测固化基体，所述浸出液中的元素包括硅、硼或钠。上述只含有硅、硼或钠的待测固化基体，并不是说待测固化基体中只含有硅、硼或钠，而是说在只考虑硅、硼或钠三种元素的情况下，所述待测固化基体中只含有硅、硼或钠。
31.在本发明中，激光照射优选通过激光笔实现；所述激光笔的颜色优选为红色。
32.在本发明中，所述激光照射优选在具有图1所示结构的装置中进行。
33.当一束光线透过胶体，从入射光的垂直方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”，这种现象叫丁达尔现象，也叫丁达尔效应(tyndall effect)。丁达尔效应本质上是光被悬浮的胶体粒子散射。描述微粒角散射光强的表达式可以简化为：
[0034][0035]
其中式中i表示散射光强度；i0表示入射光强度；d表示微粒直径；λ表示入射光波长；θ为入射光振动面与散射面的夹角，r是观察点与散射体间的距离；m为颗粒和分散介质的相对折射率(m＝m1/m2，以水为分散介质则m2＝1.33)。
[0036]
上式给出的是单个粒子的散射光强，通常情况下微粒属于非相干的散射，因此微粒散射强度可以累加，假设微粒浓度为n，则此时的光强为：
[0037][0038]
溶液中浓度通常以质量浓度给出，微粒数浓度n与质量浓度c：
[0039][0040]
此时溶液中粒子的散射光强为：
[0041][0042]
本工作中光源波长λ一定，观测角度θ一定，距离r也是定值，相对折射率m一定，微粒直径d也可以视为定值，此时：
[0043]
i＝a(θ,m,d)
·
c；
[0044]
当观察丁达尔效应的距离及角度等参数不变时(本工作采用特定位置来拍照记录丁达尔效应)，即认为a是常数，因此可以得到：
[0045]i∝
c。
[0046]
亦即散射光强和微粒的浓度成正比。根据以上原理，我们可以根据丁达尔效应的，有无(拍照中溶液是否存在光路)来快速判断溶液浓度的大小，结合产生丁达尔效应所需浸泡天数，进而推断出玻璃体抗浸出性能的优劣。
[0047]
在本发明中，当所述待测固化基体浸出3天以内，所得浸出液观察到丁达尔现象，则判定所述待测固化基体为易浸出基体。
[0048]
在本发明中，当所述待测固化基体浸出3～7天，所得浸出液观察到丁达尔现象，则判定所述待测固化基体为临界基体。在本发明中，所述临界基体指介于难浸出基体和易浸出基体中间的一种过渡基体。
[0049]
在本发明中，当所述待测固化基体浸出7天，所得浸出液未观察到丁达尔现象，则判定所述待测固化基体为难浸出基体。
[0050]
下面结合实施例对本发明提供的判断固化基材抗浸出稳定性能的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
[0051]
实施例
[0052]
依照mcc-1静态浸泡方法研究表1所示的玻璃样品的抗浸出稳定性能。实际使用的玻璃样品是由北京特种玻璃研究院炼制的。
[0053]
判断玻璃样品抗浸出稳定性能的方法，具体流程为：
[0054]
先称取适量的炼制玻璃所需的氧化物粉末放入坩埚中混合均匀，然后将坩埚放入马弗炉中，再将炉温缓慢升至1300℃并保持使玻璃样品在高温下充分熔融，随后降温至500℃并保持24h完成退火以去除玻璃样品中的残余应力。最终将炼制好的玻璃样品切割为长宽为10mm
×
10mm，厚度约1mm的玻璃方片并两面抛光供后续实验使用。
[0055]
表1玻璃样品的组分表
[0056][0057][0058]
浸出容器为配有聚四氟乙烯材质内胆，外壳为不锈钢的水热反应釜，容积为100ml。将预处理后的玻璃样品用尼龙丝悬挂在聚四氟乙烯瓶中，加入去离子水，具体浸出实验装置示意图如图1所示。浸出容器的内胆内径为3.8cm，去离子水36ml，水的体积v和试样表面积sa的比值v/sa＝15cm，置于(90
±
2)℃的烘箱中，分别在3d、7d、14d、21d、及28d取出样品，并取适量样品浸出液使用安捷伦科技公司生产的电感耦合等离子体发射光谱仪(icp-oes)测量元素浓度，结果如图2所示。
[0059]
采用图3所示结构的装置进行激光照射，取约2ml浸出液置于石英比色皿中，使用红色激光笔从浸出液上方垂直照射浸出液，使用相机在激光入射90
°
方向记录浸出液的丁达尔现象，结果如图4所示。
[0060]
从图2可以得到，浸出液中si、b和na三种元素总浓度，随着浸出时间的增加而增大，最后浸出液的总浓度基本维持稳定。对于其它组分的硼硅酸盐玻璃也可以用这种方法来判定其硅、硼和钠元素的总浸出率。通过图4可以看出：nbs7和nbs10样品均出现了丁达尔
现象，由于nbs10浸出液浓度较高，因此nbs10的丁达尔现象较nbs7明显，这也符合得到的散射光强和微粒的浓度成正比。但是值得注意的是nbs5浸出7d以后的样品才出现了丁达尔现象，7d之前的样品并未观测到丁达尔现象，此时nbs5浸出7d时，浸出液的总浓度为166mg/l。此外，对于浸出液的总浓度远低于nbs5玻璃的熔融石英玻璃(熔融石英玻璃浸出28d所得浸出液中总浓度为0.26mg/l)也均未观察到丁达尔现象。因此，认为硼硅酸盐玻璃浸出液的总浓度为166mg/l是丁达尔效应的检测线，可以利用固化基体(硼硅酸盐玻璃)浸出后的浸出液的丁达尔现象快速确定浸出液的浓度的大致范围。
[0061]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。