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系統識別號 U0026-0409201822270400
論文名稱(中文) 利用二次離子質譜儀探討銫與硒在花崗岩礦物中吸附與擴散行為之研究
論文名稱(英文) The Study of Adsorption and Diffusion Behavior of Cs and Se on Granite by SIMS
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 地球科學系
系所名稱(英) Department of Earth Sciences
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生(中文) 康綾珍
研究生(英文) Ling-Chen Kang
學號 L46044068
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 111頁
口試委員 指導教授-吳銘志
口試委員-林群智
口試委員-蔡翠玲
口試委員-羅尚德
口試委員-謝牧謙
中文關鍵字 吸附作用  內擴散作用  銫離子  硒離子  二次離子質譜儀 
英文關鍵字 Adsorption  In-diffusion  Cesium  Selenium  SIMS  diffusion 
學科別分類
中文摘要 當今使用核能之先進國家,多以「多重障壁」的概念作為高放射性廢棄物處置場的建築規劃;其中,天然障壁(母岩)亦即利用場址天然岩層的緻密性與遲滯性等特性,以延緩外釋遷移的核種。為瞭解天然障壁(母岩)對放射性核種遷移的影響,本研究以臺灣金門地區所鑽探之花崗岩為研究材料,探討花崗岩層中銫與硒的被吸附行為。本研究除了運用批次實驗(Batch Test)進行核種的吸附分析外,並以各種固相分析方法,探討建立花崗岩之基本特性,也利用二次離子質譜儀(SIMS;Secondary ion mass spectrometry)分析探討銫與硒在花崗岩塊體內的擴散行為,並進一步與前人使用以粉體壓密而成的塊體之擴散實驗進行比較,探討其視擴散係數值(Da;Apparent diffusion coefficient)之差異。

批次實驗結果顯示,花崗岩對Se(Ⅳ)的吸附相對Se(Ⅵ)的吸附具有更高的親和力,其中花崗岩對Se(Ⅵ)幾乎不具吸附性。另,由內擴散實驗結果顯示,銫離子在塊體花崗岩中的黑雲母與角閃石(鐵鎂礦物)相較於斜長石與石英(非鐵鎂礦物)具較顯著的吸附行為。其中,藉由內擴散係數分佈曲線擬合結果可得知,在花崗岩中銫離子(Cs)主要吸附於黑雲母,其次是角閃石。在上述兩項礦物中達到穩態的視擴散係數值(Da)分別為 9.2×10-19 m2⁄s 與 1.3×10-18 m2⁄s。此外,由硒離子(Se(Ⅳ))內擴散實驗結果顯示,其主要吸附於鈦鐵礦與黑雲母;其在上述兩項礦物中的視擴散係數值(Da)分別為1.0×10-14 m2⁄s 和 1.4×10-16 m2⁄s。
英文摘要 In order to understand the influences of the natural barriers to the migration of radionuclides, this study has focused on the diffusion and adsorption behaviors of cesium and selenium to a potential host rock material, the Kinmen granite, of Taiwan. In this study, the basic properties of host rock material, the Kinmen granite, were analyzed by solid phase analysis. The adsorption behaviors of radionuclide (Cs, Se (Ⅳ) and Se (Ⅵ)) to the granite specimens were investigated by batch test. Furthermore, the secondary ion mass spectrometry (SIMS) was implemented to study the adsorption behaviors of radionuclide (Cs and Se (Ⅳ)) to the granite block thin-section undertaking the in-diffusion experiments. The apparent diffusion coefficients (Da) computed via in-diffusion curves fitting were then compared with the results of compacted powdered granite block undertaking the through-diffusion experiments.

The results of batch test demonstrated that granite has higher affinity toward Se (Ⅳ) adsorption than Se (Ⅵ) adsorption. No significant observations were obtained for the adsorption of Se (Ⅵ) in granite. In addition, the results of competition shown that when Cs and Se (Ⅳ) were present in solution, the adsorption rate of Cs in granite decreased obviously, while that of Se (Ⅳ) increased obviously. The results of in-diffusion experiments show that the diffusion behavior of cesium in biotite and amphibole (ferromagnesian minerals) is more obvious than that in plagioclase and quartz (ferromagnesian Minerals) of the granite bulk. According to the in-diffusion curve cesium mainly adsorbed onto the biotite, and then to the amphiboles; the apparent diffusion coefficients (Da) for cesium (Cs) to the biotite and to the amphiboles were 9.2×10-19 m2/s and 1.3×10-18 m2/s, respectively. In addition, according to the in-diffusion curve of selenium (Se (Ⅳ))in 12-hours, was found that selenium (Se (Ⅳ)) were adsorbed onto magnetite and biotite; the apparent diffusion coefficients (Da) for selenium (Se (Ⅳ)) to the magnetite and biotite were 1.0×10-14 m2/s and 1.4×10-16 m2/s, respectively.
論文目次 中文摘要 I
Abstract II
誌謝 XIII
目錄 XIV
表目錄 XVII
圖目錄 XIX
第一章、緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究背景 2
1-2-1 處置概念 2
1-2-2 地質背景 5
1-3 文獻回顧 7
1-4 研究目的 9
1-5 研究流程與架構 12
第二章、理論 14
2-1 吸附機制 14
2-1-1靜電吸引力 14
2-1-2化學取代或礦化作用 15
2-1-3 表面錯合作用 15
2-1-4表面沉澱作用 16
2-1-5 同位素交換 16
2-2吸附實驗之模擬理論 17
2-2-1 等溫吸附理論 17
2-2-2 動力吸脫附理論 18
2-3 擴散理論 20
第三章、實驗方法 23
3-1 固相分析 23
3-1-1 土壤酸鹼值 24
3-1-2 酸鹼值緩衝能力 25
3-1-3土壤含水量測定 25
3-1-4陽離子交換容量(CEC) 26
3-1-5 X光繞射分析 27
3-1-6 光學金相分析 28
3-1-7 X光螢光分析 29
3-1-8 拉曼光譜分析 30
3-1-9 掃描式電子顯微鏡分析 31
3-2 批次實驗 32
3-2-1 實驗材料 32
3-2-2 實驗方法 33
3-3 擴散實驗 35
3-3-1 實驗材料 35
3-3-2 實驗儀器 38
3-3-3 實驗方法 39
第四章、結果與討論 40
4-1 固相分析 40
4-1-1 固相基本特性 40
4-1-2 礦物組成與化學成份 42
4-1-3 離子交換能力分析 53
4-2. 批次實驗 54
4-2-1. 動力吸脫附實驗 54
4-2-2 核種競爭實驗 59
4-3 擴散實驗 61
4-3-1 銫 71
4-3-2 硒 81
第五章、結論與建議 83
參考文獻 85
附錄 92
附錄一、臺灣地質分區圖 93
附錄二、不同溫度下水的相對密度及校正因子(K值) 95
附錄三、XRF偵測標準品 97
附錄四、拉普拉斯轉換表 99
附錄五、Standard Test Method for Distribution Coefficients of Inorganic Species by the Batch Method (ASTM C1733-10) 101
附錄六、掃描式電子顯微鏡影像–縮寫代號 110
參考文獻 王光明(譯)(2005)。環境土壤化學(原作者:Donald L. Sparks)。臺北市:國立編譯館,共372頁。
孔繁凱(2015)。天然絲光沸石膠囊之包覆技術開發及其對Cs+離子的吸附特性與改質高嶺土對Sr2+離子吸附之研究。國立成功大學資源工程學系碩士論文,臺南市,第114頁。
台灣電力公司(2010)。我國用過核子燃料最終處置初步技術可行性評估報告(編號:SNFD2009)。取自:https://www.aec.gov.tw/webpage/control/waste/files/index_06_a6.pdf
全球核能發電國家之高放射性廢棄物管理現況(2017)。新北市:行政院原子能委員會。2018年08月09號,取自:https://www.aec.gov.tw/webpage/waste/files/index_03_2_2_01.pdf
何春蓀(2003)。臺灣地質概論–臺灣地質圖說明書。臺北市:經濟部中央地質調查所,共163頁。
吳啟騰、林天英生(1998)。金門地質地貌。臺北縣:稻田,共204頁。
李俞鋆(2004)。硒銫在花崗岩上地下水中的吸附與擴散行為。國立清華大學原子科學系碩士論文,新竹市,第39頁至第60頁。
李傳斌(2009)。合成地下水與海水中硒銫在粉碎花崗岩及泥岩的收附與擴散行為。國立清華大學生醫工程與環境科學系博士論文,新竹市,共95頁。
汪建民(主編)(1998)。材料分析 = Materials Analysis。新竹市:中國材料學學會發行,共743頁。
林宗儀(2011)。放射性廢棄物最終處置場之潛在母岩特性研究[The Characterization Study on Potential Host Rocks of the Final Disposal Site for the Radioactive Waste]。臺灣應用輻射與同位素雜誌,第7卷,第4期,第159頁至第167頁。
俞震甫、羅清華(2002)。台灣先第三紀大地構造:台灣大地構造。中國地質學會,中國地球物理學會聯合出版,第167頁至第196頁。
施英隆(2013)。環境化學。臺北市:五南書局,共592 頁。
涂又琳(2016)。鍶、銫在台東硬頁岩中的吸附與擴散行為之研究。國立成功大學地球科學系碩士論文,臺南市,共98頁。
陳正宏(1990)。台灣之火成岩。臺北市:經濟部中央地質調查所,共137頁。
陳志強(2000)。銫在粉碎花崗岩與高鹽度人造地下水中之傳輸研究。國立清華大學原子科學系碩士論文,新竹市,共61頁。
許俊男(1999)。放射性廢料處置場障壁材料特性之基礎調查研究。行政院國家科學委員會電力科技產業學術合作研究計畫成果報告。(編號:NSC87–TPC–E–007–03),共55頁。
許俊男(1999)。利用高效率離子層析儀配合加馬計測方法研究硒物種在花崗岩的吸附行為。行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告。(編號:NSC94–2212–E–007–042),共14頁。
陳淑芬、劉仁煜(2004)。污染場址中不同粒徑土壤對重金屬吸附特性之研究。「2004台灣環境資源永續發展研討會」論文集,臺中市朝陽科技大學,共8頁。
衛元耀(2011)。低放射性廢料最終處置地質材料之核種擴散遷移研究(2∕2)。行政院原子能委員會委託研究計劃研究報告(編號:1002001INER013),共27頁。
陳培源(2006)。台灣地質。台灣省應用地質技師公會,共461頁。
陳文山(2016)。台灣地質概論。臺北市:中華民國地質學會,共204頁。
黃偉慶(2010)。低放射性廢棄物最終處置回填材料於近場環境下之長期穩定性研究。行政院原子能委員會委託研究計劃研究報告(編號:992001INER013),共108頁。
路鳳香、桑隆康(2011)。岩石學。武漢:地質出版社,第63頁至第72頁。
劉東山、蔡昭明(1992)。放射性廢料管理。臺北市:放射性物管處,共351頁。
劉靜蓉(1999)。锶銫在潛在母岩與水泥工程障壁中吸附與擴散的基礎研究。國立清華大學原子科學系博士論文,新竹市,第28頁至第37頁。
蔡世欽(2011)。高放射性廢料最終處置碘129核種在地質環境介質中之遷移及遲滯研究(第三年)。行政院國家科學委員會補助專題研究計畫期中報告(編號:NSC97–2221–E–007–063–MY3),共31頁。
歐律延(2010)。泥岩對硒、銫在不同化合物及離子強度下吸附飽和量的研究。國立清華大學核子工程與科學研究所碩士論文,新竹市,共65頁。
鄧希平(2010)。放射性廢棄物處置之優質緩衝回填材料。行政院國家科學委員會補助專題研究計畫期中報告(編號:NSC97–2221–E–007–066–MY3),第11頁至第14頁。
蔡世欽(2017)。利用不同模型之擴散實驗探討I及IO3-在壓實膨潤土塊中的擴散參數。黃鐘、李傳斌(主持人),跨領域新世代地球科學。106年地球物理學會與地質學會年會暨學術研討會,國立成功大學,共26頁。
衛元耀(2011)。低放射性廢料最終處置地質材料之核種擴散遷移研究(2∕2)。行政院原子能委員會委託研究計劃研究報告(編號:1002001INER013),共27頁。
謝其融(2009)。有機銨鹽改質膨潤土其銫離子吸附行為之研究。國立清華大學材料科學工程科學系碩士論文,新竹市,共74頁。
顏滄波(1963)。台灣大南澳片岩之成雙變質帶。中國地質學會,6,第72頁至第74頁。
鍾廣吉(2009)。【花崗岩地質與金門花崗岩】。未出版之原始資料。

Arnold, B. W., R. G. Knowlton, F. J. Schelling, P. D. Mattie, J. C. Cochran, and H. N. Jow (2007). Taiwan industrial cooperation pro gram technology transfer for low level radioactive waste final disposal—Phase I (SAND2007-0131), Sandia National Laboratories, pp.19
Alonso, U., T. Missana, M. García-Gutiérrez, A. Patelli, M. Siitari-Kauppi, and V. Rigato (2009). Diffusion coefficient measurements in consolidated clay by RBS micro-scale profiling. Applied Clay Science, 43(3-4), pp.477-484.
ASTM, C. 1733-10 (2010). Standard test methods for distribution coefficients of inorganic Species by the batch method. The American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, United States, p.8.
ASTM, D. 854-10 (2010). Standard test methods for specific gravity of soil solids by water pycnometer. The American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, United States, p.8.
Brady, N. C., and R. R. Weil (2002). The nature and properties of soils. Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ. The nature and properties of soils. 13th ed. Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ.
Cornell, R. (1993). Adsorption of cesium on minerals: a review. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 171(2), pp.483-500.
Crank, J. (1975). The mathematics of diffusion. 2nd ed. Oxford, [Eng]: Clarendon Press.
Fan, Q. H., M. Tanaka, K. Tanaka, A. Sakaguchi, and Y. Takahashi (2014). An EXAFS study on the effects of natural organic matter and the expandability of clay minerals on cesium adsorption and mobility. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 135, pp.49-65. doi:10.1016/j.gca.2014.02.049
Itakura, T., D. W. Airey, C. J. Leo, T. Payne, and G. D. McOrist (2010). Laboratory studies of the diffusive transport of 137Cs and 60Co through potential waste repository soils. Journal of environmental radioactivity, 101(9), pp.723-729.
IAEA. (2017). Scientific and technical publications on nuclear fuel cycle and waste
management. http://www-pub.iaea.org/books/IAEABooks/Subject_Areas/0800/Nuclear-fuel-cycle-and-waste-management
Y. L. Jan, T. H. Wang, M. H. Li, S. C. Tsai, Y. Y. Wei, and S. P. Teng (2008). Adsorption of Se species on crushed granite: A direct linkage with its internal iron-related minerals. Applied Radiation and Isotopes, 66(1), pp.14-23. doi:10.1016/j.apradiso.2007.08.007
Jordan, N., A. Ritter, H. Foerstendorf, A. C. Scheinost, S. Weiss, K. Heim, and H. Reuther, (2013). Adsorption mechanism of selenium(VI) onto maghemite. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 103, pp.63-75. doi:10.1016/j.gca.2012.09.048
Martinez, M., J. Giménez, J. De Pablo, M. Rovira, and L. Duro (2006). Sorption of selenium (IV) and selenium (VI) onto magnetite. Applied surface science, 252(10), pp.3767-3773.
Mell, P., J. Megyeri, L. Riess, Z. Mathe, G. Hamos, and K. Lazar (2006). Diffusion of Sr, Cs, Co and I in argillaceous rock as studied by radiotracers. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 268(2), pp.411-417. doi:10.1556/jrnc.268.2006.2.32
Nesbitt, H. W., and I. J. Muir (1988). SIMS depth profiles of weathered plagioclase and processes affecting dissolved al and si in some acidic soil solutions. Nature, 334(6180), pp.336-338. doi:10.1038/334336a0
Nugent, M. A., S. L. Brantley, C. G. Pantano, and P. A. Maurice (1998). The influence of natural mineral coatings on feldspar weathering. Nature, 395(6702), pp.588-591. doi:10.1038/26951
Poinssot, C., and H. Geckeis (2012). 1 - Overview of radionuclide behaviour in the natural environment. In C. Poinssot & H. Geckeis (Eds.), Radionuclide Behaviour in the Natural Environment (pp. 1-10): Woodhead Publishing.
Rajib, M., and C. T. Oguchi (2017). Adsorption of 133Cs and 87Sr on pumice tuff: A comparative study between powder and intact solid phase. Acta Geochimica, 36(2), pp.224-231.
Sato, H., T. Shibutani, and M. Yui (1997). Experimental and modelling studies on diffusion of Cs, Ni and Sm in granodiorite, basalt and mudstone. Journal of Contaminant Hydrology, 26(1-4), pp.119-133. doi:10.1016/s0169-7722(96)00063-0
Sawhiney, B. (1972). Selective sorption and fixation of cations by clay minerals: a review. Clays Clay Miner, 20(9), p.8.
Seyama, H. (2003). Application of SIMS to the analysis of environmental samples. Applied surface science, 203, pp.745-750.
Shahwan, T., H. N. Erten, L. Black, and G. C. Allen(1999). TOF-SIMS study of Cs+ sorption on natural kaolinite. Science of the Total Environment, 226(2-3), pp.255-260. doi:10.1016/s0048-9697(98)00405-7
Takeno, N. (2005). Atlas of Eh-pH diagrams. Geological survey of Japan open file report, 419, p.287.
Tachi, Y., T. Ebina, C. Takeda, T. Saito, H. Takahashi, Y. Ohuchi, and A. J. Martin (2015). Matrix diffusion and sorption of Cs+, Na+, I–and HTO in granodiorite: Laboratory-scale results and their extrapolation to the in situ condition. Journal of contaminant hydrology, 179, pp.10-24.
Tochigi, Y.,and Y. Tachi (2010). Development of diffusion database of buffer materials and rocks-Expansion and application method of foreign buffer materials (No. JAEA-DATA/CODE--2009-029). Japan Atomic Energy Agency, p50.
Tsai, S. C., C. P. Lee, T. L. Tsai, and Y. C. Yu (2017). Characterization of cesium diffusion behavior into granite matrix using Rutherford backscattering spectrometry. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 409, pp.305-308.
Whitney, D. L., and B. W. Evans (2010). Abbreviations for names of rock-forming minerals. American Mineralogist, 95(1), pp.185-187. doi:10.2138/am.2010.3371
Yui, T. F., L. Heaman, and C. Y. Lan (1996). U-Pb and Sr isotopic studies on granitoids from Taiwan and Chinmen-Lieyu and tectonic implications. Tectonophysics, 263(1-4), pp.61-76. doi:10.1016/s0040-1951(96)00023-6
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