Immobilization of simulated An4+ in radioactive sludge using waste electronic sealing glass via microwave sintering: Mechanism and performance
本研究表明，利用废弃电子密封玻璃进行微波烧结可有效固定放射性污泥中的四价锕系元素类似物（CeO₂），并确定了能确保高化学耐久性和低孔隙率同时防止晶体 CeO₂ 形成的最佳负载极限与烧结温度。
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核能为发电提供了一种强大的方式，但它也留下了一个棘手的遗产：放射性废物。其中一些废物是厚重的、类似污泥的混合物，其中含有可能在数千年内保持危险性的有害元素。为了确保这些材料的安全，科学家必须将其封存在一个即使在地下深处埋藏数百年也不会破碎或泄漏的固体块中。玻璃长期以来一直是这项工作的首选材料，因为它天然坚硬，可以将原子锁定在其结构中。然而，制造出能够容纳大量废物而不发生崩解的玻璃是一个微妙的平衡过程。如果加入的废物过多，玻璃会变得不稳定、产生裂纹，或者导致放射性元素逃逸。挑战在于找到那个精确的点，即玻璃仍能安全锁住废物的极限，而这个极限取决于玻璃的制造方式及其成分。
来自深圳大学和南华大学的一个研究小组最近通过将另一种废物转化为解决方案来解决了这个问题。他们利用废弃的电子密封玻璃（这是一种富含锌和硼的电子工业副产品）来捕捉模拟的放射性污泥。研究人员没有使用传统的熔炉来熔化混合物，而是使用微波炉将材料快速加热到1100至1300摄氏度之间。这种被称为微波烧结的过程比传统方法更快，且更具能源效率。科学家在混合物中添加了一种称为氧化铈的物质，用以模拟真实放射性废物中危险的四价锕系元素。通过观察铈在不同条件下在玻璃内部的行为，他们旨在发现能够安全封存废物的完美配方。
研究人员发现，玻璃所能承载废物的量在很大程度上取决于加热过程中使用的温度。在1100摄氏度的较低温度下，玻璃只能吸收约5%的氧化铈，之后便开始排斥多余的物质。如果他们增加添加量，多余的材料就不会溶解在玻璃中，而是会形成纯氧化铈的微小独立晶体。当他们将温度提高到1200度时，玻璃变得更具包容性，可以容纳高达9%的添加物。在最高的1300度时，玻璃可以在达到极限前容纳近14%的物质。这表明，更剧烈地加热材料有助于原子更彻底地混合在一起，从而使玻璃能够承受更大的废物负荷而不破坏其结构。
在玻璃内部，原子的行为就像一个复杂的链式网络。当研究人员加入少量的废物时，铈原子会均匀地分布开来，嵌入到该网络的间隙中。然而，一旦超过了每个温度下的特定极限，玻璃就会趋于饱和。过量的��el无法在网络中找到位置，并开始聚集在一起，在固体块内形成明显的结晶岛屿。团队利用强大的显微镜清晰地观察到了这种转变。在处于安全限度内的样本中，材料看起来像是一张光滑、均匀的薄片。在超过限度的样本中，可以看到明亮的结晶区域，即铈聚集的地方，周围环绕着玻璃基质。这种分离是一个关键的警告信号，因为它表明材料不再是一个单一的固体单元，而是由不同的相组成的混合物，这可能会降低稳定性。
玻璃的化学组成也会随着废物的增加而改变。研究人员观察到，随着铈含量的增加，玻璃的内部网络变得不再那么连贯，即发生了“去聚合”。这意味着赋予玻璃强度的长原子链正被进入的废物原子所破坏。有趣的是，将材料加热到更高温度有助于保留其中一些连接，即使在废物负荷较高时也是如此。这种结构韧性至关重要，因为一个更连贯的网络能更好地锁住放射性原子并防止其泄漏。科学家还注意到，铈原子在玻璃中以两种不同的形式（或价态）存在。这两种形式之间的平衡会根据温度和废物量的变化而移动，从而进一步影响玻璃容纳材料的能力。
为了测试玻璃是否真的能保证废物安全，研究人员对样本进行了严格的浸取实验。他们将固体块研磨成细粉，并将其浸泡在热水中超过一个月，以模拟潮湿环境下的条件。他们测量了铈随时间流失到水中的量。结果令人满意：铈的泄漏率极低，保持在每天每平方米万分之一到百万分之一克之间。更重要的是，随着时间的推移，泄漏速度减慢了。在废物保持在安全限度内的样本中，铈被锁得非常紧，以至于需要很长时间水才能接触到它。在超过限度的样本中，由于独立的晶体更容易暴露在水中，铈的泄漏速度更快且出现得更早。这证实了保持在特定的装载限度内对于长期安全性至关重要。
最终产物的物理特性也讲述了一个重要的故事。研究人员测量了玻璃的密度以及内部残留的微小气孔（或称孔隙）的数量。他们发现，就在玻璃达到承载废物最大容量的点附近，玻璃最为致密且孔隙最少。如果他们在超过那个点后加入过多的废物，材料会变得更加多孔且密度降低，这可能使水更容易渗透并将放射性元素带走。这一发现强化了这样一个观点：在混合废物和玻璃之间存在一个“甜点”（最佳平衡点）。研究结论指出，使用废弃电子玻璃是固定放射性污泥的一种可行方法，前提是必须仔细匹配温度和废物量。通过找到这种正确的平衡，人们可以创造出一个坚固、耐用的固体块，从而安全地捕捉危险材料，将一种形式的废物转化为抵御另一种形式废物的盾牌。
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