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系統識別號 U0026-1908201621340500
論文名稱(中文) 鍶、銫在台東硬頁岩中的吸附與擴散行為之研究
論文名稱(英文) The Adsorption and Diffusion Behavior of Cs and Sr on Taitung Argillite
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 104
學期 2
出版年 105
研究生(中文) 涂又琳
研究生(英文) Yu-Lin Tu
學號 L46031146
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 98頁
口試委員 指導教授-吳銘志
口試委員-謝牧謙
口試委員-莊愷瑋
口試委員-陳燕華
口試委員-蔡翠玲
中文關鍵字 吸附  擴散      硬頁岩 
英文關鍵字 adsorption  diffusion  cesium  strontium  argillite 
學科別分類
中文摘要 為了解放射性廢棄物最終處置場中,天然障壁(母岩)對放射性核種遷移的影響,本研究以台東達仁鄉之硬頁岩為主要研究對象,利用固相分析建立硬頁岩之基本特性,並探討核種鍶(Sr)與銫(Cs)在硬頁岩中的吸附特性與遷移行為之差異,並深入了解在不同地下水的水質環境條件下之離子競爭行為。於研究中嘗試以掃描式電子顯微鏡搭載能量分析器(SEM-EDS)和X光光電子能譜儀(XPS)之分析結果,進行硬頁岩中所含礦物對銫之吸附特性的探討,並利用不同吸附模式了解其吸附機制。
實驗分析結果顯示,硬頁岩對銫之吸附率(%)及最大吸附容量(qm)皆大於鍶,在硬頁岩中主導吸附行為的礦物為伊萊石(Illite),伊萊石對銫具有特定性吸附(即高親合力)。溶液中的離子濃度愈大,則鍶與銫的吸附率會隨之下降;若以同一離子濃度進行比較,不同的離子對硬頁岩吸附銫、鍶的競爭影響力為:K+ > Ca2+ > Na+,其結果主要是可能受到水合半徑、水合能、離子價數等的影響。此外,根據吸附模式分析結果指出,硬頁岩對銫的吸附機制同時具有物理性吸附(外圈錯合)和內圈錯合;而鍶則因吸附性不佳,較難判別其吸附機制。SEM-¬EDS進行區域分析之結果顯示,吸附在伊萊石上的銫分佈均勻;而硬頁岩則因所含礦物對銫的吸附性差異,導致銫吸附在硬頁岩表面會有分布不均勻之現象。XPS之分析結果進一步證實了銫在硬頁岩和伊萊石中以一價離子態化合物CsOH存在,在破裂邊緣位置與活性氫氧基群(-OH)以化學鍵鍵結生成內圈錯合物為其重要的吸附機制之一。
在擴散實驗中,銫在硬頁岩中擴散較慢,遲滯效應大於鍶,此趨勢也符合了批次吸附實驗之結果。溶液中同時具有鍶銫兩個核種時,核種擴散出來的時間皆會變快,遲滯性變差,分配係數(Kd)變小。此外,根據擴散實驗分析計算所得之分配係數(Kd)皆小於批次實驗所得之結果。
英文摘要 To understand the influence of the natural barriers (the host rock) on the migration of radionuclides in radioactive waste final disposal site, this study focused on the argillite which may become the host rock of the poteneial site in Taitung. We discuss the differences in behavior of adsorption and diffusion of radionuclides on argillite by batch test and diffusion test. In additions, this study attempt to investigate the adsorption mechanism of cesium on argillite and minerals contained in argillite by SEM-EDS、XPS and adsorption model analysis.

The results showed that the adsorption capacity and capability of Cs adsorb on argillite were greater than Sr. Illite that have specific adsorption to Cs dominated the adsorption behavior in argillite. The greater the concentration of ions in solution, sorption of Cs and Sr decreased. Ability of competition by different ion is:K+ > Ca2+ > Na+. According to adsorption model analysis, the adsorption mechanism of Cs on argillite are physical adsorption and inner-sphere complexation;yet, adsorption mechanism of Sr is difficult to distinguish due to its poor adsorption. The results of SEM-EDS showed that the distribution of Cs on illite is uniform but on argillite is enrichment in where were adsorbed better. The results of XPS confirmed that Cs existed in argillite and illite in the form of CsOH compound. And proven that one of the important adsorption mechanism of Cs on argillite and illite was formed inner-sphere complexation which bonding with active hydroxyl group at frayed edge site.

In though-diffusion experiment, the diffusion of Cs in argillite was slower than Sr because of its have better retardation. The velocity of diffusion was faster, retardation was poor, distribution coefficient (Kd) was smaller if there were two radionuclides in solution.
論文目次 摘要 I
EXTENDED ABSTRACT II
誌謝 XV
目錄 XVI
表目錄 XX
圖目錄 XXII
第 1 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 場址地質 6
1.3 研究目的 7
1.4 研究流程 9
第 2 章 理論與文獻回顧 11
2.1 吸附機制 11
2.2 等溫吸附理論 13
2.2.1 線性吸附模式 13
2.2.2 Langmuir吸附模式 14
2.2.3 Freundlich吸附模式 14
2.3 擴散理論 15
2.4 文獻回顧 19
第 3 章 研究方法與實驗 21
3.1 固相分析 21
3.1.1 土壤含水量測定 21
3.1.2 土壤酸鹼值 21
3.1.3 比表面積分析 21
3.1.4 陽離子交換容量 22
3.1.5 X光繞射分析 22
3.1.6 全元素分析 23
3.1.7 pH緩衝能力實驗 24
3.2 批次實驗 25
3.2.1 實驗材料 25
3.2.2 實驗方法 27
3.3 擴散實驗 28
3.3.1 實驗材料 28
3.3.2 實驗方法 28
3.4 利用SEM-EDS和XPS解析銫的吸附行為 33
3.4.1 SEM-EDS 33
3.4.2 XPS 34
第 4 章 結果與討論 35
4.1 硬頁岩之基本特性 35
4.1.1 土壤含水量、酸鹼度、偏光顯微影像 35
4.1.2 比表面積與陽離子交換容量分析 37
4.1.3 pH緩衝能力分析 38
4.1.4 礦物組成與化學成分 40
4.2 批次吸附實驗 42
4.2.1 動力吸脫附實驗 42
4.2.2 等溫吸附實驗 48
4.2.3 離子競爭吸附實驗 50
4.2.4 不同礦物的吸附實驗 53
4.2.5 核種競爭吸附實驗 56
4.2.6 不同pH值之吸附實驗 58
4.3 擴散實驗 60
4.3.1 氚水實驗 60
4.3.2 單一核種 60
4.3.3 雙核種 61
4.4 利用SEM-EDS和XPS解析銫的吸附行為 67
4.4.1 SEM-EDS 67
4.4.2 XPS 74
第 5 章 結論 77
參考文獻 78
附錄 83
化學試藥 83
儀器設備 83
含水量測定 84
土壤酸鹼值 85
陽離子交換容量 85
PH緩衝能力實驗 86
XRF標準品 87
STANDARD TEST METHOD FOR DISTRIBUTION COEFFICIENTS OF INORGANIC SPECIES BY THE BATCH METHOD 88
批次吸附實驗步驟 96
(一)動力吸脫附實驗 96
(二)等溫吸附實驗 96
(三)離子競爭吸附實驗 97
(四)核種競爭吸附實驗 97
(五)不同礦物吸附實驗 97
(六)不同pH值吸附實驗 98
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