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研究生： 藍培倫
Pei-Lun Lan
論文名稱： 硒銫在粉碎泥岩的吸附與擴散行為
Sorption and Diffusion Behaviors of Se and Cs on Mudstone
指導教授： 許俊男
Chun-Nan Hsu
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 生醫工程與環境科學系
Department of Biomedical Engineering and Environmental Sciences
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 88
中文關鍵詞： 硒 、銫 、泥岩 、好氧 、厭氧 、吸附 、脫附 、擴散
外文關鍵詞： Se, Cs, mudstone, aerobic, anaerobic, sorption, desorption, diffusion
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    • 本研究的目的為分析硒、銫在台灣恆春泥岩中的吸脫附反應與擴散行為，以提供放射廢棄處置場安全評估的參考。實驗內容包括泥岩的固相分析、等溫批次實驗、動力吸脫附實驗、以及管柱擴散實驗。等溫批次實驗分別在好氧與厭氧環境下同時進行，並將實驗結果利用Freundlich和Langmuir經驗吸附模式進行擬合，找出濃度與吸附量的關係。擬合結果顯示：除了Cs在好氧和厭氧地下水中與Se在海水厭氧中較符合Freundlich模式外，其餘皆以Langmuir結果較合適。動力吸脫附實驗也分別在好氧與厭氧環境下進行，實驗結果利用單位元及雙位元模式擬合得到平衡濃度等其他參數。實驗發現Cs吸脫反應在一小時內即達平衡，使的擬合曲線結果不甚理想。而Se擬合結果皆以雙位元較適合，顯示有明顯塊反應與慢反應的部分。擴散則參考先前膨潤土的結果，選用一公分的厚度，並且進行三重複實驗，將每根管柱的擴散參數求平均。結果顯示，泥岩在地下水中有較好的遲滯效果，而泥岩對於Se的遲滯則比Cs好。

    This study attempts to investigate that sorption and diffusion behaviors of Se and Cs on mudstone for safety assessment of underground radiowaste repository. In order to understand the sorption and diffusion behaviors on mudstones , experiments including solid analysis, batch tests , kinetic sorption/desorption test and column diffusion test. Solid analysis shows that major mineral compositions and other properties of mudstone. From batch tests,it is observed that differences of Kd values between anaerobic condition and aerobic condition regardless of GW or SW. Based on the results, Freundlich and Langmuir isotherm models have been determined the radionuclides concerntration ratio of liquid and solid. From most kinetic sorption/desorption tests, Cs reacts equilibrium imediately; Se sorps onto mudstone slowly and reaches equilibrium during 14-days experiment. In the column diffusion tests, exact analytical solutions have been used in lieu of the method suggested by Crank (1975), to find the apparent diffusion coefficient (Da). Results of diffusion tests show higher retardation factors in groundwaterand also show a beter retardation effect in Se solutions.

    中文摘要.........................................................................................................................i 英文摘要.................................................................... ...................................................ii 致謝...............................................................................................................................iii 目錄...............................................................................................................................iv 表目錄..........................................................................................................................vii 圖目錄...........................................................................................................................ix 第一章 緒論................................................................................................................1 1-1 背景介紹...............................................................................................1 1-2 研究目的...............................................................................................3 第二章 理論................................................................................................................6 2-1 岩石礦物與水體間污染物的吸脫附原理…………………………...6 2-2 吸附平衡模式基礎…………………………………………………...7 2-2-1 線性吸附……………………………………………………...8 2-2-2 Langmuir吸附模式……………………………………….......8 2-2-3 Freundlich吸附模式………………………………………….9 2-2-4 Elovich吸附模式……………………………………………..9 2-3 岩石礦物的擴散理論………………………………………………...9 第三章 實驗方法…………………………………………………………………..14 3-1 固相分析……………………………………………………………14 3-1-1 泥岩的來源………………………………………………...14 3-1-2 化學試藥…………………………………………………...14 3-1-3 儀器設備…………………………………………………...15 3-1-4 分析項目…………………………………………………...15 3-2 好氧厭氧批次實驗…………………………………………………19 3-2-1 化學試藥…………………………………………………….19 3-2-2 儀器設備…………………………………………………….19 3-2-3 實驗材料…………………………………………………….20 3-2-4 好氧批次實驗方法………………………………………….21 3-2-5 厭氧批次實驗方法………………………………………….21 3-3 動力吸脫附實驗……………………………………………………...22 3-3-1 實驗材料…………………………………………………….22 3-3-2 好厭氧動力吸脫附實驗步驟……………………………….23 3-4 擴散實驗……………………………………………………………..23 3-4-1 實驗材料…………………………………………………….24 3-4-2 擴散實驗方法……………………………………………….24 第四章 結果與討論………………………………………………………………..27 4-1 固相分析……………………………………………………………27 4-1-1 泥岩實驗粒徑的決定……………………………………...29 4-1-2 泥岩的其他特性…………………………………………...31 4-2 等溫吸附……………………………………………………………33 4-2-1 Cs的等溫吸附……………………………………………..33 4-2-2 Se的等溫吸附……………………………………………..39 4-2-3 選定擴散實驗濃度………………………………………...47 4-3 動力吸脫附實驗…………………………………………………….50 4-4 擴散實驗…………………………………………………………….64 第五章 結論………………………………………………………………………..74 參考文獻……………………………………………………………………………..76 附錄一 Cs等溫吸附批次實驗的原始數據……………………………………….79 附錄二 Se等溫吸附批次實驗的原始數據……………………………………….80 附錄三 Cs動力吸脫附批次實驗的原始數據…………………………………….81 附錄四 Se吸脫附批次實驗的原始數據………………………………………….85 表目錄 表1-1 各國高放射性廢棄物處置場的規劃現況…………………………………..3 表3-1 合成地下水及合成海水的成分……………………………………………21 表4-1 不同粒徑大小泥岩的化學組成……………………………………………28 表4-2 不同粒徑泥岩的CEC與比表面積………………………………………...28 表4-3 泥岩的基本特性.............................................................................................30 表4-4 泥岩的緩衝特性實驗結果…………………………………………………30 表4-5 泥岩的主要礦物成分………………………………………………………30 表4-6 泥岩與其他固相的比表面積比較…………………………………………32 表4-7 泥岩與不同固相的基本資料………………………………………………32 表4-8 Cs在海水中好氧與厭氧環境的各項實驗數據…………………………...35 表4-9 Cs在地下水中好氧與厭氧環境的各項實驗數據………………………...35 表4-10 Cs-SW擬合係數…………………………………………………………..37 表4-11 Cs-GW擬合係數…………………………………………………………..37 表4-12 Se在海水中好氧與厭氧環境的各項實驗數據………………………….41 表4-13 Se在地下水中好氧與厭氧環境的各項實驗數據……………………….42 表4-14 Se-SW擬合係數…………………………………………………………..45 表4-15 Se-GW擬合係數………………………………………………………….45 表4-16 線性擬合參數 ( 10-4~10-7 M)…………………………………………….47 表4-17 Cs好氧批次實驗的吸脫附結果………………………………………….50 表4-18 Se好氧批次實驗的吸脫附結果………………………………………….50 表4-19 Cs厭氧批次實驗的吸脫附結果………………………………………….51 表4-20 Se厭氧批次實驗的吸脫附結果…………………………………………..51 表4-21 Cs好氧擬合曲線的參數表……………………………………………….52 表4-22 Se好氧擬合曲線的參數表……………………………………………….52 表4-23 Cs厭氧擬合曲線的參數表……………………………………………….53 表4-24 Se厭氧擬合曲線的參數列表…………………………………………….53 表4-25 HTO擴散的各項數據…………………………………………………….67 表4-26 HTO的擴散數據平均值………………………………………………….67 表4-27 Cs的各項參數………………………………………………….................68 表4-28 Cs擴散數據的平均值…………………………………………………….68 表4-29 Se擴散實驗的各項數據…………………………………………………..71 圖目錄 圖1-1 核種從廢棄固化體遷移到人類生活圈的可能路徑………………………..4 圖1-2 本論文研究的基本架構……………………………………………………..5 圖2-1 擴散實驗的累積濃度曲線圖………………………………………………13 圖3-1 台灣泥岩分布圖……………………………………………………………18 圖3-2 管住擴散實驗示意圖………………………………………………………26 圖3-3 水飽和示意圖……………………………………………………………….26 圖4-1 泥岩的緩衝特性……………………………………………………………31 圖4-2 泥岩的XRPD圖……………………………………………………………31 圖4-3 Cs-SW 在好氧與厭氧環境下不同濃度的Kd……………………………...36 圖4-4 Cs-GW在好氧與厭氧環境下不同濃度的Kd……………………………..36 圖4-5 Cs-SW濃度與吸附量的關係………………………………………………38 圖4-6 Cs-GW濃度與吸附量的關係……………………………………………...38 圖4-7 Se與pH-pE的物種分布圖…………………………………………………43 圖4-8 Se-SW在好氧與厭氧環境下不同濃度的Kd...............................................44 圖4-9 Se-SW在好氧與厭氧環境下不同濃度的Kd………………………………44 圖4-10 Se-SW濃度與吸附量的關係……………………………………………..46 圖4-11 Se-SW濃度與吸附量的關係……………………………………………..46 圖4-12 Cs-SW分配係數與時間的關係圖………………………………………..54 圖4-13 Cs-GW分配係數與時間的關係圖……………………………………….54 圖4-14 Se-SW分配係數與時間關係圖…………………………………………..55 圖4-15 Se-GW分配係數與時間關係圖…………………………………………..55 圖4-16 Cs-SW好氧的吸附實驗及其擬合曲線…………………………………..56 圖4-17 Cs-SW好氧的脫附實驗及其擬合曲線…………………………………..56 圖4-18 Cs-GW好氧的吸附實驗及其擬合曲線………………………………….57 圖4-19 Cs-GW好氧的脫附實驗及其擬合曲線………………………………….57 圖4-20 Cs-SW厭氧的吸附實驗及其擬合曲線………………………………….58 圖4-21 Cs-SW厭氧的脫附實驗及其擬合曲線………………………………….58 圖4-22 Cs-GW厭氧的吸附實驗及其擬合曲線………………………………….59 圖4-23 Cs-GW厭氧的脫附實驗及其擬合曲線………………………………….59 圖4-24 Se-SW好氧的吸附實驗及其擬合曲線…………………………………..60 圖4-25 Se-SW好氧的脫附實驗及其擬合曲線…………………………………..60 圖4-26 Se-GW好氧的吸附實驗及其擬合曲線…………………………………..61 圖4-27 Se-GW好氧的脫附實驗及其擬合曲線…………………………………..61 圖4-28 Se-SW厭氧的吸附實驗及其擬合曲線…………………………………..62 圖4-29 Se-SW厭氧的脫附實驗及其擬合曲線…………………………………..62 圖4-30 Se-GW厭氧的吸附實驗及其擬合曲線…………………………………..63 圖4-31 Se-GW厭氧的脫附實驗及其擬合曲線………………………………….63 圖4-32 海水中的HTO累積濃度…………………………………………………66 圖4-33 地下水中的HTO累積濃度……………………………………………….66 圖4-34 Cs-GW每個時段內的De值………………………………………………69 圖4-35 Cs-GW的濃度累積曲線………………………………………………….69 圖4-36 Cs-SW每個時段內的De值………………………………………………70 圖4-37 Cs-SW的濃度累積曲線…………………………………………………..70 圖4-38 Se-GW的濃度累積曲線………………………………………………….72 圖4-39 Se-SW的濃度累積曲線…………………………………………………..72

    1. 李俞鋆，「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研究
    所，碩士論文（2004）
    2. 許俊男，「在模擬地下水中沸石和高嶺土對鍶銫核種的吸附機制研究，」國立清華大學原子科學系，行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告（1996）
    3. 張顧齡，「酸鹼度和溫度對鍶銫在膨潤土中吸附與擴散行為之影響，」國立清華大學原子科學系研究所，碩士論文（1997）
    4. 陳子雲，「放射性廢料處置主要核種之遷移，」清華大學原子科學系研究所，碩士論文（2001）
    5. 劉靜蓉，「鍶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研究所，碩士論文（1999）
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