论文总字数：19693字

摘 要

我国经济的不断发展，在带来丰厚利润回报的同时，也带来了如空气污染、土地污染等一系列环境问题。目前针对污染土壤的处理方法包括化学修复法，生物修复法，原位玻璃固化法等。由于玻璃具有近程有序远程无序的柔性结构，对有害元素具有良好的包容能力，而且可以实现对其原子尺度的固化，在放射性废物与危险废弃物的固化方面有着广泛的应用，因此本文采用玻璃固化的方法对模拟污染土壤进行处理。文中对山东某地土壤取样后，利用XRF分析其化学成分，TG分析其升温过程中的重量变化，通过添加一定量的Ca、Na、Al、B氧化物作为玻璃添加剂，熔制出了具有较高化学稳定性的均质玻璃，土壤包容率为67%。在已有的玻璃配方基础上，掺杂Cs、Sr、Co三种元素模拟受辐射污染的土壤，制备玻璃固化体。样品制备好后对其进行密度测试，测得密度为2.72g/cm³；其抗浸出测试结果显示Cs、Sr、Co的平均归一化浸出率均低于0.02 g/(m²d)，表明该玻璃固化体具有优异的化学稳定性。

关键字：污染土壤治理；放射性废物；原位玻璃化；化学稳定性

Abstract

With the continuous development of China's economy, it causes a series of problems of air pollution and land pollution for the sake of rich profit. Current treatment methods for contaminated soil include chemical remediation, bioremediation, in-situ vitrification, etc. As glass has a short-range order, long-range disorder flexible structure, and has good ability to contain various heavy metal elements and radioactive elements at atomic scale, which is very suitable for the solidification of hazardous wastes. So, the contaminated soil was treated by in-situ vitrification. In this paper, after taking samples of non-contaminated soil in a certain area of Shandong province, XRF was used to analyze its chemical composition, and TG was used to analyze the mass loss during the heating process. By adding a certain amount of Ca, Na, Al and B oxides as glass additives, homogeneous glass with high chemical stability was melted and the waste load was 67%. The glass was prepared according to the glass formula by doping Cs, Sr, Co as simulated radioisotopes. After the sample was prepared, its density was tested, and the measured density was 2.72g/cm³.The results showed that the average normalized leaching rate of Cs, Sr and Co was lower than 0.02g /(m²∙d), which was in line with industry standards and showed that the glass had excellent ability to resist the leaching of hazardous elements.

Key Words: Treatment of contaminated soil; Radioactive waste; In-situ vitrification; Chemical stability;

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.1.1 非放射性土壤污染 1

1.1.2 放射性土壤污染 2

1.2 污染土壤修复措施 3

1.2.1 化学修复法概述 3

1.2.2 生物修复法概述 3

1.2.3 物理修复法概述 3

1.3 原位玻璃化概述 4

1.4 玻璃固化的适用范围 4

1.5 ISV设备及过程 5

第二章 实验部分 8

2.1 实验原料 8

2.2 实验仪器 8

2.3 实验内容 8

2.4 土壤成分及结构表征 10

2.4.1 土壤X射线荧光光谱分析（XRF） 10

2.4.2 TG曲线分析 10

2.5 玻璃配方设计 10

2.5.1 玻璃结构中阳离子的分类 11

2.5.2 成分对硅酸盐玻璃化学稳定性的影响 11

2.5.3 成分对硅酸盐玻璃熔化温度的影响 12

2.6 玻璃固化体配方设计 13

2.7 玻璃固化体测试 13

2.7.1 固化体密度测试 14

2.7.2 固化体抗浸出性能测试 14

第三章 实验结果分析 16

3.1 土壤成分分析结果 16

3.2 土壤热处理结果 16

3.3 玻璃配方设计 19

3.4 固化体密度测试结果 21

3.5 固化体抗浸出性能测试结果 22

第四章 结论与展望 23

4.1 结论 23

4.2 展望 23

参考文献 24

致谢 26

绪论

课题背景

土地是人类赖以生存的场所，随着工业的发展，科技的进步，人类生产手段也发生了变化，过去生产落后时期不会遇到的土壤污染问题，到了现在渐渐开始出现。工业生产排放的“三废”，农业生产过度使用的化肥等等，都对土壤造成了一定程度的污染。古往今来，人类的战争大部分是因为土地争端而起，失去土地，人类的生活和生产活动就无法进行。如果因为对土地的不合理使用导致其受到污染并且不去治理，那么就无异于白白打输一场战争，因此人类必须重视对土壤环境的污染防治。正所谓“绿水青山就是金山银山”，研究污染土壤的防治对国家，社会乃至人类命运来说具有非常重要的意义。本文将污染土壤分为非放射性污染及放射性污染两种。

非放射性土壤污染

非放射性土壤污染包括重金属污染、有机物污染、生物污染等。

重金属污染：即重金属或其化合物的污染。采矿、冶炼、金属加工、化工等工业排放的“三废”以及汽车尾气（含铅汽油）、农药（波尔多液等）、化肥（加工时使用的工业硫酸含重金属）等均会造成重金属污染。当前，每年因重金属污染导致的农作物减产有1.2×10⁷t。表1.1列出了我国土壤重金属污染的情况^[1]。

表1.1我国土壤重金属污染情况^[1]

有机物污染：天然的或人为制造的有机物的污染。如农药、染料、石油、石油裂解产品、塑料等。农药是主要的有机污染物，包括有机磷和有机氯、多环芳烃等。化学农药是农业生产中必不可少的生产手段，但过量使用会带来严重的环境污染问题，如土壤酸化、土壤板结、土壤生物活性降低，从而导致农业产量下降。更危险的是这些污染物的积累会间接危害人类健康。

生物污染：指有害生物入侵土壤，使土壤恶化，导致农业减产的现象。生活、生产过程中排放的污水废水，尤其是医院排放的污水中含有大量病原细菌、病毒、寄生虫，一旦用于灌溉，就有发生生物污染的风险^[2]。有些有害生物不适应土壤环境，但另一些不仅可以适应土壤环境，还能在土壤中大量繁殖，造成生物污染。

据2014年环保部发布的全国土壤污染状况调查公报表明，全国土壤总超标率高达16.1%，其中轻微、轻度、中度、重度污染比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%^[1]。当前我国土壤污染的形势十分严峻。

放射性土壤污染

人类命运的进程，离不开能源利用的发展。在爱因斯坦推导出质能方程以前，人们主要利用化石能源，在这之后，人们发现了更为清洁，能量密度更大的核能。由于核能的这些特性，世界多国的科学家都对其展开了研究，至今已经有了60多年的发展历史^[3]。

虽然核能具有清洁高效的优点，但它也存在不足之处，如在核燃料循环中，会产生核废物：铀矿勘探开采过程中产生的尾矿、放射性粉尘；核反应堆运行时产生的放射性废液和放射性固体废物；乏燃料后处理产生的低中高放射水平的废物等^[4]。如果这些废物不及时得到处置，必然导致不可估量的严重后果。

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