可渗透的磷灰石屏障可以保护水源不受污染。(图片由桑迪亚国家实验室提供)
桑迪亚国家实验室的地球化学家Mark Rigali和他的同事正在开发和应用磷灰石为基础的技术，以保护受放射性核素和重金属污染的地下水。
目前，美国能源部位于华盛顿州东南部的汉福德基地和福岛第一核电站都在使用磷灰石。Rigali说:“我们还在探索其他许多潜在的应用。”
磷灰石是一种常用的肥料中的钙-磷酸盐化合物，它的晶体可以捕获和保存地下水中的各种放射性核素和重金属污染物。这种化合物被泵入地下后会形成一道屏障。
“磷灰石是一种用途非常广泛的材料。它可以作为沉淀渗透反应屏障部署在地下，也可以作为颗粒状固体部署在柱状结构中，用于泵和处理修复应用。”
西瓜,太平洋西北国家实验室(用电),萨凡纳河国家实验室评估了以磷灰石为基础的屏障技术，并就福岛核电站磷灰石屏障的设计、实施和监测提出了建议，以减少地下水污染。东京电力公司资助了这项研究
全世界成千上万的地点受到放射性核素、重金属和自然污染物的污染，威胁着地下水、地表水和食物供应。根据美国地质调查局2012年的一份报告，全球大约一半的人口依赖地下水作为主要饮用水供应。
汉福德的屏障技术
发明了磷灰石屏障技术的桑迪亚化学工程师罗伯特·摩尔(Robert Moore)说，汉福德基地已经成功地使用了8年，以隔离锶-90。锶-90威胁着哥伦比亚河，这是三个州的主要水源。
汉福德核保留地是二战时期的一个核设施，被八个退役反应堆遗留下来的钚和其他放射性物质所污染。
PNNL的地球化学家Jim Szecsody说，实验室最初询问这项专利技术能否在汉福德发挥作用。
Szecsody说:“在使用屏障之前，我们必须弄清楚如何向地下注入一种溶液来沉淀磷灰石，而不‘冲刷’可移动的锶-90，使其更可移动。”
Sandia和PNNL共同测试了钙磷灰石屏障，使用了小型和大规模的实验，观察了反应速率和泵送速率，以定制汉福德基地的地球化学和输送路径。他们使用了一些地下沉积物中可用的钙来减少注入钙的量，从而减少了锶-90的冲刷。
“在某些方面，这就像种庄稼。你需要知道那里有什么，然后才能弄清楚你需要添加什么营养，”Szecsody说。
该试验性定制屏障随后由汉福德中央高原清理的主承包商Fluor Hanford Inc进行了现场测试。从2005年到2011年，一个磷灰石屏障沿着300英尺长的哥伦比亚河海岸线放置。
结果令人印象深刻:六年后，在隔离墙和哥伦比亚河之间钻探的监测井显示，隔离墙在锶到达河流之前将超过95%的锶隔离了起来。
最初的工作非常成功，CH2M HILL Plateau Remediation公司在2012年扩大了屏障，以保护哥伦比亚河海岸线2500英尺(约合9400米)，并正在考虑增加新的屏障。
障碍是如何起作用的
根据土壤的特性和污染物的类型，有几种方法可以形成屏障。通常，一种含有柠檬酸钙和磷酸钠化合物的水溶液被泵入地下。当地下水通过屏障时，微小的磷灰石晶体，大约是人的头发宽度，与污染物结合并固定它们，使地下水流过屏障，减少或消除对地下水处理的需要。
摩尔说:“当地的土壤细菌生物降解柠檬酸盐(一种有机化合物)，使钙可用来与磷酸盐作为磷灰石沉淀，磷灰石是一种不溶的、稳定的矿物质，可以固定污染物。”
目前常用的方法是挖一条垂直于受污染地下水流动路径的沟，并用反应性介质回填该沟。另一种方法是高压注入，迫使反应性介质进入土壤。这两种方法都是破坏性的，在某些情况下，实际上已经极大地改变了该地区的地质水文，以至于部分或所有受污染的地下水都流经堤坝，而不是穿过堤坝。
与竞争的沟槽和注入技术相比，阻挡层方法具有一些积极的优势:
- 溶液会流入土壤孔隙度最高的地区，因此在地下水较多的地区会形成更多的磷灰石，而这些地区需要更多的保护。
- 工人们不会暴露在地上的污染物中，因为他们将使用传统的挖沟和用活性介质回填。
- 将污染物固定在地下，消除了清除受污染土壤并将其作为危险废物处理的昂贵过程。
- 一旦在地下就位，屏障不需要维护，从而减少了离子交换器和过滤器等设备的成本，尽管可能需要其他设备来监测该场地。
在传统的解决方案不可行或成本不高的地方，如埋在地下的废物罐和管道系统，传统的施工技术是不可能的，屏障的工作效果很好。
固定来自汉福德罐区的污染
磷灰石还能捕获各种放射性核素和重金属。
“我们最近发起了一个由能源部遗产管理办公室资助的项目，以确定磷灰石修复铀污染的功效。PNNL将在实验室研究中评估磷灰石屏障。如果实验室研究表明磷灰石中含有铀，我们将在美国能源部位于科罗拉多州来福尔附近的铀尾矿补救行动现场进行实地研究，”Rigali说。
另一个潜在的应用是汉福德储罐废物的修复。
汉福德的“油库”中有177个地下储罐，其中许多可以追溯到第二次世界大战。大多数已经超过了预期的设计寿命，有些正在泄漏。
“通过一些研究来确定土壤pH值、游离钙的数量和土壤孔隙度，同样的技术可以用于汉福德罐区周围的地区，以控制罐体泄漏产生的大量放射性核素。磷灰石可以捕获和保存锶、锝、铀、镭、钚和锕系元素。
Rigali表示，Sandia正在与负责汉福德罐区清理工作的承包商华盛顿河保护解决方案公司(Washington River Protection Solutions)讨论使用锡处理的磷灰石屏障来帮助防止锝——一种半衰期很长的高流动性放射性核素，从储罐进入汉福德地下水和哥伦比亚河。
Rigali说:“该方法还可以在钻井、水力压裂作业或其他可能存在地下水污染的挖掘活动中预防性地保护地下水。”
一个悬而未决的问题是磷灰石屏障的寿命，因此研究人员正在评估污染以其束缚形式存在多久。
Rigali说:“到目前为止，研究结果表明污染物将在很长一段时间内保持隔离。”
部分基础研究是由桑迪亚资助的实验室主导研发程序。
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