CN112730569B - 一种用于获取核素迁移参数的电迁移装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境与岩土工程技术领域，具体涉及一种用于获取核素迁移参数的电迁移装置及方法。电迁移装置包括设有工作电极(3)的阴极电解液槽(9)，设有对电极(4)的阳极电解液槽(10)，设有工作反馈电极(6)的源项槽(7)，设有参比电极(5)的接收槽(8)；源项槽(7)和接收槽(8)通过设置样品的第一样品夹持室(12)连通；阴极电解液槽(9)和源项槽(7)通过设置样品的第二样品夹持室(14)连通，阳极电解液槽(10)和接收槽(8)通过设置样品的第三样品夹持室(15)连通；工作电极(3)、对电极(4)、参比电极(5)和工作反馈电极(6)与电化学工作站(1)连接。本发明能够更好的揭示离子在电场作用下的迁移。

Description

一种用于获取核素迁移参数的电迁移装置及方法

技术领域

本发明属于环境与岩土工程技术领域，具体涉及一种用于获取核素迁移参数的电迁移装置及方法。

背景技术

随着我国核军工生产、核电及放射性同位素应用等涉核行业的快速发展，大量的放射性废物随即产生。对这些放射性废物最终安全处置，是确保我国国民和环境安全、核工业可持续发展的必然要求。

目前，包括美国、瑞典、芬兰、中国在内的多个国家普遍接受深地质处置是处理高放废物最现实可行、安全的方法。它是以核素的包容、阻滞为核心内容，以多重屏障(由工程屏障(废物固化体、包装材料以及缓冲回填材料)与天然屏障(处置库天然地质体)组成)为主要手段，以万年以上公众健康和环境保护为安全目标的***工程。为处置库场址的选择、设计、建造及安全性平价提供科学依据，需要研究放射性核素在屏障材料及天然岩体中的吸附和扩散行为，获取其相应的迁移参数。

用于处置库中的屏障材料和天然岩体具有渗透性低等特点，常规方法(如静态背向背扩散法、动态扩散池法)存在测量时间长、效率低、可能需要破坏样品等缺点，为了有效改进以上常规方法存在的缺点，急需开发快速、有效的方法用于获取核素迁移数据，电迁移方法可以加速这一过程。专利CN109813635A公开了基于电场贯穿扩散法测定核素在岩土介质中扩散系数的装置；专利CN109813634A公开了用于获取核素迁移参数的改进电迁移实验，增设盐桥结构和蠕动泵输运改进了样品所处的液态环境的稳定性，保证了溶液pH的稳定性。然而对于样品两端电压的稳定性和样品在实验过程中的电流变化没有考虑。电压作为核素迁移的重要推动力，其长期稳定对于实验过程至关重要，电流能够反映样品中离子运动和分布情况，能够深入了解示踪剂离子在电场下的传输功能。

发明内容

为有效解决电迁移装置中，样品两端电压不稳定和不能观测电流变化的不足，本发明的目的是提供一种耦合电化学工作站和电迁移技术的装置和用于加速获取核素迁移数据的方法。其基本原理是核素在恒定电压(电化学工作站保证)的驱动力下，会发生定向移动，其迁移速率比传统使用水压方式速度要快很多，对接收槽进行取样分析病绘制核素穿透曲线，可以获取核素在样品中的扩散系数。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种用于获取核素迁移参数的电迁移装置，其中，包括设有工作电极的阴极电解液槽，设有对电极的阳极电解液槽，设有工作反馈电极的源项槽，设有参比电极的接收槽；所述源项槽和所述接收槽通过用于设置样品的第一样品夹持室连通；所述阴极电解液槽和所述源项槽通过用于设置样品的第二样品夹持室连通，所述阳极电解液槽和所述接收槽通过用于设置样品的第三样品夹持室连通；所述工作电极、所述对电极、所述参比电极和所述工作反馈电极与电化学工作站连接。

进一步，

还包括盛放缓冲溶液的缓冲溶液槽；

所述缓冲溶液槽通过第一管路和第二管路与所述阴极电解液槽连通，所述第二管路设有第一蠕动泵，所述缓冲溶液在所述第一蠕动泵的作用下沿所述第二管路由所述缓冲溶液槽流入所述阴极电解液槽，并沿所述第一管路返回所述缓冲溶液槽；

所述缓冲溶液槽通过第三管路和第四管路与所述阳极电解液槽连通，所述第四管路设有第二蠕动泵，所述缓冲溶液在所述第二蠕动泵的作用下沿所述第四管路由所述缓冲溶液槽流入所述阳极电解液槽，并沿所述第三管路返回所述缓冲溶液槽。

进一步，所述第一样品夹持室与所述源项槽和所述接收槽之间、所述第二样品夹持室与所述阴极电解液槽和所述源项槽之间、所述第三样品夹持室与所述接收槽和所述阳极电解液槽之间均使用环氧树脂密封，保证液体只能从所述样品流过，配合所述第一蠕动泵和所述第二蠕动泵，构成隔离槽-蠕动泵输送***。

进一步，所述源项槽、所述接收槽和所述缓冲溶液槽的材质为亚克力或者聚四氟乙烯或者亚克力和聚四氟乙烯的混合材料。

本发明还提供使用如上所述的电迁移装置的一种用于获取核素迁移参数的方法，包括如下步骤：

步骤S1，将所述样品设置在所述第一样品夹持室、所述第二样品夹持室和所述第三样品夹持室内；

步骤S2，所述第一蠕动泵、所述源项槽、所述接收槽、所述阴极电解液槽、所述阳极电解液槽、所述第二蠕动泵、所述第一样品夹持室、所述缓冲溶液槽、所述第二样品夹持室、所述第三样品夹持室、所述第一管路、所述第二管路、所述第三管路和所述第四管路组装成所述电迁移装置；所述第一样品夹持室与所述源项槽和所述接收槽之间、所述第二样品夹持室与所述阴极电解液槽和所述源项槽之间、所述第三样品夹持室与所述接收槽和所述阳极电解液槽之间均使用环氧树脂密封，保证液体只能从所述样品流过；

步骤S3，将所述源项槽、所述接收槽、所述阴极电解液槽和阳极电解液槽中注满背景电解液，并使用所述第一蠕动泵、所述第二蠕动泵将所述缓冲溶液槽中的所述缓冲溶液连续注入所述阴极电解液槽和阳极电解液槽中；将所述工作电极、所述对电极、所述参比电极和所述工作反馈电极分别***所述阴极电解液槽、所述阳极电解液槽、所述接收槽和所述源项槽中；

步骤S4，启动所述电化学工作站，设置一定电压后，从所述源项槽中抽出一定体积的所述背景电解液，并注入同体积的一定浓度的示踪剂；

步骤S5，每隔特定时间，从所述接收槽中吸取1ml所述背景电解液，测试其中示踪剂的浓度，同时向所述接受槽中注入1ml的所述背景电解液。

进一步，

在所述步骤S1中，

所述样品为花岗岩岩片、膨润土柱、黏土柱、黄土柱、蒙脱石柱、页岩或者凝灰岩；

所述第一样品夹持室的所述样品的厚度为5mm-100mm，所述第二样品夹持室和所述第三样品夹持室的所述样品的厚度为10mm；

所述样品与所述第一样品夹持室、所述第二样品夹持室和所述第三样品夹持室之间用环氧树脂密封，以保证液体只能从所述样品流过；

所述第二样品夹持室和所述第三样品夹持室中的样品一致，所述第一样品夹持室中的样品与所述第二样品夹持室和所述第三样品夹持室中的样品一致或不一致；

在所述步骤S3中，

所述缓冲液的流速为50μL/min-50ml/min；

所述源项槽、所述接收槽和所述缓冲溶液槽中的溶液要时刻保证在搅拌状态下，以保证溶液的均一性；保证溶液均一性的方式包括使用磁子或使用搅拌杆的磁力搅拌器，其转速为300-1000转/分钟；

在所述步骤S4中，

所述电化学工作站的电压设定为-10V至10V，

从所述源项槽中抽出的所述背景电解液的体积为1-5ml，

所述示踪剂为HTO、喹啉、Cs、Co²⁺、Se、I、Pu、Tc和Np中的一种或多种的混合物；

所述示踪剂的浓度为10^-6-1M；

在所述步骤S5中，所述特定时间吸取背景电解液的操作是指每隔30min或60min取样一次。

本发明的有益效果在于：

1.使用恒定电压和浓差作为推动力，通过测定接收槽中核素的浓度变化，绘制穿透曲线，可在短时间内，不破化样品的情况下，准确方便获取核素迁移的参数。

2.使用电化学工作站替代恒压稳定电源，能够有效控制样品两端的电压，保证两端电压的稳定，通过样品间的电流能够连续记录，加深对离子传输的理解，更好揭示离子在电场作用下的迁移。

3.隔离槽-蠕动泵输送***，有效分隔不同功能槽，实现槽之间电解液不会相互影响，保证样品所处液体环境的稳定。

4.用于获取核素迁移参数的方法操作简单、有效、快速，可用于地下实验室和现场试验中核素迁移数据的获取，为处置库选址、设计、建造和安全评价提供理论数据和技术支撑。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述的一种用于获取核素迁移参数的电迁移装置的示意图；

图2是本发明具体实施方式中所述的阴极电解液槽9、阳极电解液槽10的示意图；

图3是本发明具体实施方式中所述的源项槽7、接收槽8的示意图；

图4是本发明具体实施方式中所述的第一样品夹持室12的示意图；

图中：1-电化学工作站，2-第一蠕动泵，3-工作电极，4-对电极，5-参比电极，6-工作反馈电极，7-源项槽，8-接收槽，9-阴极电解液槽，10-阳极电解液槽，11-第二蠕动泵，12-第一样品夹持室，13-缓冲溶液槽，14-第二样品夹持室，15-第三样品夹持室，16-第一管路，17-第二管路，18-第三管路，19-第四管路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提供的一种用于获取核素迁移参数的电迁移装置，其中，包括设有工作电极3的阴极电解液槽9，设有对电极4的阳极电解液槽10，设有工作反馈电极6的源项槽7，设有参比电极5的接收槽8(源项槽7、接收槽8、阴极电解液槽9和阳极电解液槽10之间彼此独立)；源项槽7和接收槽8通过用于设置样品的第一样品夹持室12连通；阴极电解液槽9和源项槽7通过用于设置样品的第二样品夹持室14连通，阳极电解液槽10和接收槽8通过用于设置样品的第三样品夹持室15连通；工作电极3、对电极4、参比电极5和工作反馈电极6与电化学工作站1(为四电极***的电化学工作站)连接；使用电化学工作站1取代传统的电迁移装置的直流稳压电源系，能够保证样品两端电压的恒定和电流的连续记录，样品两端的电压稳定和电流连续记录是电化学工作站1的基础功能，使用电化学工作站1耦合电迁移装置可以有效控制电压和记录电流。

还包括盛放缓冲溶液的缓冲溶液槽13；

缓冲溶液槽13通过第一管路16和第二管路17与阴极电解液槽9连通，第二管路17设有第一蠕动泵2，缓冲溶液在第一蠕动泵2的作用下沿第二管路17由缓冲溶液槽13流入阴极电解液槽9，并沿第一管路16返回缓冲溶液槽13；

缓冲溶液槽13通过第三管路18和第四管路19与阳极电解液槽10连通，第四管路19设有第二蠕动泵11，缓冲溶液在第二蠕动泵11的作用下沿第四管路19由缓冲溶液槽13流入阳极电解液槽10，并沿第三管路18返回缓冲溶液槽13。

第一样品夹持室12与源项槽7和接收槽8之间、第二样品夹持室14与阴极电解液槽9和源项槽7之间、第三样品夹持室15与接收槽8和阳极电解液槽10之间均使用环氧树脂密封，保证液体只能从样品流过，配合第一蠕动泵2和第二蠕动泵11，构成隔离槽-蠕动泵输送***。

源项槽7、接收槽8和缓冲溶液槽13的材质为亚克力或者聚四氟乙烯或者亚克力和聚四氟乙烯的混合材料。

本发明还提供使用如上所述的电迁移装置的一种用于获取核素迁移参数的方法，包括如下步骤：

步骤S1，将样品设置在第一样品夹持室12、第二样品夹持室14和第三样品夹持室15内；

步骤S2，第一蠕动泵2、源项槽7、接收槽8、阴极电解液槽9、阳极电解液槽10、第二蠕动泵11、第一样品夹持室12、缓冲溶液槽13、第二样品夹持室14、第三样品夹持室15、第一管路16、第二管路17、第三管路18和第四管路19组装成电迁移装置(按照图1)；第一样品夹持室12与源项槽7和接收槽8之间、第二样品夹持室14与阴极电解液槽9和源项槽7之间、第三样品夹持室15与接收槽8和阳极电解液槽10之间均使用环氧树脂密封，保证液体只能从样品流过；

步骤S3，将源项槽7、接收槽8、阴极电解液槽9和阳极电解液槽10中注满背景电解液，并使用第一蠕动泵2、第二蠕动泵11将缓冲溶液槽13中的缓冲溶液连续注入阴极电解液槽9和阳极电解液槽10中，溢出的缓冲液通过第一管路16和第三管路18流回缓冲溶液槽13中；将工作电极3、对电极4、参比电极5和工作反馈电极6分别***阴极电解液槽9、阳极电解液槽10、接收槽8和源项槽7中；

步骤S4，启动电化学工作站1，设置一定电压后，从源项槽7中抽出一定体积的背景电解液，并注入同体积的一定浓度的示踪剂；

步骤S5，每隔特定时间，从接收槽8中吸取1ml背景电解液，测试其中示踪剂的浓度，同时向接受槽8中注入1ml的背景电解液。

在步骤S1中，

样品为花岗岩岩片、膨润土柱、黏土柱、黄土柱、蒙脱石柱、页岩或者凝灰岩；

第一样品夹持室12的样品的厚度为5mm-100mm，第二样品夹持室14和第三样品夹持室15的样品的厚度为10mm；

样品与第一样品夹持室12、第二样品夹持室14和第三样品夹持室15之间用环氧树脂密封，以保证液体只能从样品流过；

第二样品夹持室14和第三样品夹持室15中的样品一致，第一样品夹持室12中的样品与第二样品夹持室14和第三样品夹持室15中的样品一致或不一致；

在步骤S3中，

缓冲液的流速为50μL/min-50ml/min；

源项槽7、接收槽8和缓冲溶液槽13中的溶液要时刻保证在搅拌状态下，以保证溶液的均一性；保证溶液均一性的方式包括使用磁子或使用搅拌杆的磁力搅拌器，其转速为300-1000转/分钟；

在步骤S4中，

电化学工作站1的电压设定为-10V至10V，(电压为负时源项槽7变为接收槽、接收槽8变为源项槽)

从源项槽7中抽出的背景电解液的体积为1-5ml，

示踪剂为HTO、喹啉、Cs、Co²⁺、Se、I、Pu、Tc和Np中的一种或多种的混合物；

示踪剂的浓度为10^-6-1M；

在步骤S5中，特定时间吸取背景电解液的操作是指每隔30min或60min取样一次(吸取背景电解液)。

最后举例说明本发明的具体应用：

根据图1，以Co²⁺为示踪剂，花岗岩为对象描述实验原理及方法。具体步骤如下：

S1：将厚度为10mm、直径为50mm的花岗岩样品圆片放在第一样品夹持室12，花岗岩圆片和第一样品夹持室12之间使用环氧树脂密封，以保证液体只能通过花岗岩流动；

S2：将第一蠕动泵2、源项槽7、接收槽8、阴极电解液槽9、阳极电解液槽10、第二蠕动泵11、第一样品夹持室12、缓冲溶液槽13、第二样品夹持室14、第三样品夹持室15、第一管路16、第二管路17、第三管路18和第四管路19按照图1所示方式组装，第一样品夹持室12与源项槽7和接收槽8之间、第二样品夹持室14与阴极电解液槽9和源项槽7之间、第三样品夹持室15与接收槽8和阳极电解液槽10之间均使用环氧树脂密封，保证液体只能通过花岗岩圆片流动；

S3：将源项槽7、接收槽8、阴极电解液槽9和阳极电解液槽10中注满0.2M NaCl背景电解液，并使用第一蠕动泵2和第二蠕动泵11将缓冲溶液槽13中的缓冲溶液0.2MNACl+0.02MNaHCO₃以1ml/min流速连续注入阴极电解液槽9和阳极电解液槽10中，溢出缓冲液通过溢出孔和第一管路16、、第三管路18流回缓冲溶液槽13中；将工作电极3、对电极4、参比电极5和工作反馈电极6按照图1所示分别***阴极电解液槽9、阳极电解液槽10、接收槽8和源项槽7中；

S4：启动电化学工作站1，设置电压为0.1V，从源项槽7中抽出5ml的背景电解液，并注入同体积的0.1M的CoCl₂溶液；

S5：每隔一定时间，从接收槽8中吸取1ml溶液，使用ICP-MS测定示踪剂的浓度，同时向接收槽8中注入1ml背景电解液。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (4)

1.一种用于获取核素迁移参数的电迁移装置，其特征是：包括设有工作电极(3)的阴极电解液槽(9)，设有对电极(4)的阳极电解液槽(10)，设有工作反馈电极(6)的源项槽(7)，设有参比电极(5)的接收槽(8)；所述源项槽(7)和所述接收槽(8)通过用于设置样品的第一样品夹持室(12)连通；所述阴极电解液槽(9)和所述源项槽(7)通过用于设置样品的第二样品夹持室(14)连通，所述阳极电解液槽(10)和所述接收槽(8)通过用于设置样品的第三样品夹持室(15)连通；所述工作电极(3)、所述对电极(4)、所述参比电极(5)和所述工作反馈电极(6)与电化学工作站(1)连接。

还包括盛放缓冲溶液的缓冲溶液槽(13)；

所述缓冲溶液槽(13)通过第一管路(16)和第二管路(17)与所述阴极电解液槽(9)连通，所述第二管路(17)设有第一蠕动泵(2)，所述缓冲溶液在所述第一蠕动泵(2)的作用下沿所述第二管路(17)由所述缓冲溶液槽(13)流入所述阴极电解液槽(9)，并沿所述第一管路(16)返回所述缓冲溶液槽(13)；

所述缓冲溶液槽(13)通过第三管路(18)和第四管路(19)与所述阳极电解液槽(10)连通，所述第四管路(19)设有第二蠕动泵(11)，所述缓冲溶液在所述第二蠕动泵(11)的作用下沿所述第四管路(19)由所述缓冲溶液槽(13)流入所述阳极电解液槽(10)，并沿所述第三管路(18)返回所述缓冲溶液槽(13)。

所述第一样品夹持室(12)与所述源项槽(7)和所述接收槽(8)之间、所述第二样品夹持室(14)与所述阴极电解液槽(9)和所述源项槽(7)之间、所述第三样品夹持室(15)与所述接收槽(8)和所述阳极电解液槽(10)之间均使用环氧树脂密封，保证液体只能从所述样品流过，配合所述第一蠕动泵(2)和所述第二蠕动泵(11)，构成隔离槽-蠕动泵输送***。

2.如权利要求1所述的电迁移装置，其特征是：所述源项槽(7)、所述接收槽(8)和所述缓冲溶液槽(13)的材质为亚克力或者聚四氟乙烯或者亚克力和聚四氟乙烯的混合材料。

3.一种使用如权利要求1所述的电迁移装置的用于获取核素迁移参数的方法，包括如下步骤：

步骤S1，将所述样品设置在所述第一样品夹持室(12)、所述第二样品夹持室(14)和所述第三样品夹持室(15)内；

步骤S2，所述第一蠕动泵(2)、所述源项槽(7)、所述接收槽(8)、所述阴极电解液槽(9)、所述阳极电解液槽(10)、所述第二蠕动泵(11)、所述第一样品夹持室(12)、所述缓冲溶液槽(13)、所述第二样品夹持室(14)、所述第三样品夹持室(15)、所述第一管路(16)、所述第二管路(17)、所述第三管路(18)和所述第四管路(19)组装成所述电迁移装置；所述第一样品夹持室(12)与所述源项槽(7)和所述接收槽(8)之间、所述第二样品夹持室(14)与所述阴极电解液槽(9)和所述源项槽(7)之间、所述第三样品夹持室(15)与所述接收槽(8)和所述阳极电解液槽(10)之间均使用环氧树脂密封，保证液体只能从所述样品流过；

步骤S3，将所述源项槽(7)、所述接收槽(8)、所述阴极电解液槽(9)和阳极电解液槽(10)中注满背景电解液，并使用所述第一蠕动泵(2)、所述第二蠕动泵(11)将所述缓冲溶液槽(13)中的所述缓冲溶液连续注入所述阴极电解液槽(9)和阳极电解液槽(10)中；将所述工作电极(3)、所述对电极(4)、所述参比电极(5)和所述工作反馈电极(6)分别***所述阴极电解液槽(9)、所述阳极电解液槽(10)、所述接收槽(8)和所述源项槽(7)中；

步骤S4，启动所述电化学工作站(1)，设置一定电压后，从所述源项槽(7)中抽出一定体积的所述背景电解液，并注入同体积的一定浓度的示踪剂；

步骤S5，每隔特定时间，从所述接收槽(8)中吸取1ml所述背景电解液，测试其中示踪剂的浓度，同时向所述接收槽(8)中注入1ml的所述背景电解液。

4.如权利要求3所述的用于获取核素迁移参数的方法，其特征是：

在所述步骤S1中，

所述样品为花岗岩岩片、膨润土柱、黏土柱、黄土柱、蒙脱石柱、页岩或者凝灰岩；

所述第一样品夹持室(12)的所述样品的厚度为5mm-100mm，所述第二样品夹持室(14)和所述第三样品夹持室(15)的所述样品的厚度为10mm；

所述样品与所述第一样品夹持室(12)、所述第二样品夹持室(14)和所述第三样品夹持室(15)之间用环氧树脂密封，以保证液体只能从所述样品流过；

所述第二样品夹持室(14)和所述第三样品夹持室(15)中的样品一致，所述第一样品夹持室(12)中的样品与所述第二样品夹持室(14)和所述第三样品夹持室(15)中的样品一致或不一致；

在所述步骤S3中，

所述缓冲溶液的流速为50μL/min-50ml/min；

所述源项槽(7)、所述接收槽(8)和所述缓冲溶液槽(13)中的溶液要时刻保证在搅拌状态下，以保证溶液的均一性；保证溶液均一性的方式包括使用磁子或使用搅拌杆的磁力搅拌器，其转速为300-1000转/分钟；

在所述步骤S4中，

所述电化学工作站(1)的电压设定为-10V至10V，

从所述源项槽(7)中抽出的所述背景电解液的体积为1-5ml，

所述示踪剂为HTO、喹啉、Cs、Co²⁺、Se、I、Pu、Tc和Np中的一种或多种的混合物；

所述示踪剂的浓度为10^-6-1M；

在所述步骤S5中，所述特定时间吸取背景电解液的操作是指每隔30min或60min取样一次。

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