Tăng cường thông tin dự đoán về độ ổn định của pha khoáng trong điều kiện hóa học khắc nghiệt như trong chất thải hạt nhân là cần thiết nhưng đầy thách thức do nhiều tính cách ảnh hưởng chưa được biết của bức xạ ion hóa. Tác động lâu dài của bức xạ tích lũy ở trạng thái rắn và tiếp xúc với các sản phẩm phân hủy phóng xạ trong dung dịch có thể ảnh hưởng đến quá trình kết tủa, hòa tan và kết tụ của khoáng chất. Chính vì vậy, các nhà khoa học vẫn không ngừng tìm cách giải quyết các tác động này. Mới đây, các nghiên cứu thông qua kiểm tra quá trình hòa tan của các tiểu cầu gibbsite trong dung dịch NaOH bằng kính hiển vi lực nguyên tử với nguồn tia X tích hợp đã so sánh tốc độ hòa tan khi các hạt ban đầu được chiếu xạ ở trạng thái khô so với chiếu xạ trong dung dịch, cả hai đều được so sánh với các đối chứng không chiếu xạ. Bằng cách theo dõi những thay đổi về hình thái hạt và định lượng vật liệu bị mất theo thời gian, tốc độ hòa tan và độ nhám của hạt được phát hiện tăng lên nhiều nhất khi chiếu xạ được thực hiện trong quá trình hòa tan trong NaOH và ở mức độ thấp hơn nhưng đáng kể khi chiếu xạ khô trước khi hòa tan. Sự tăng cường hòa tan tối đa được quan sát thấy trong trường hợp trước cho thấy tầm quan trọng của cả tác động trực tiếp của liều hấp thụ lên độ ổn định của gibbsite và tác động gián tiếp phát sinh từ tương tác bề mặt với các sản phẩm phân hủy phóng xạ trong dung dịch.
Dự đoán hành vi kết tủa và kết tụ của các pha khoáng khi có phương pháp tiếp cận có thể phân biệt các hiệu ứng riêng biệt phát sinh từ thiệt hại do bức xạ là rất quan trọng đối với các ứng dụng trong lưu trữ, khai thác và khắc phục chất thải hạt nhân. Các pha chứa nhôm như gibbsite và boehmite đặc biệt quan trọng đối với việc xử lý chất thải xút phức tạp được lưu trữ. Nhiệm vụ khai thác và xử lý chất thải trở nên nghiêm trọng hơn do những tác động chưa biết khi tiếp xúc với bức xạ tích lũy đối với độ ổn định hóa học, điện tích bề mặt và hành vi kết tụ của các khoáng chất này. Để giúp cung cấp thông tin cho các chiến lược xử lý, cần có sự hiểu biết cơ bản về các chuyển đổi do bức xạ gây ra trong khối khoáng chất. Điều này đòi hỏi phải tách các quá trình do bức xạ gây ra liên quan đến khối khoáng chất so với các quá trình ở bề mặt của chúng khỏi việc tiếp xúc với các loài phóng xạ trong dung dịch.
Hầu hết các nghiên cứu trước đây đều dựa trên thí nghiệm về hành vi của bột khoáng và dựa vào phân tích dung dịch sau khi hòa tan các vật liệu đã chiếu xạ này. Nghiên cứu cho thấy tốc độ hòa tan của gibbsite tăng cao hơn sau khi chiếu xạ tia X, rõ rệt hơn trong quá trình hòa tan trong NaOH 9,6 M ở 60 °C so với ở 90 °C. Các nghiên cứu TEM tại chỗ, khai thác chùm tia điện tử làm cơ sở hình ảnh và nguồn chiếu xạ, cho thấy quá trình hòa tan boehmite ban đầu diễn ra thông qua quá trình tách lớp, trong khi các hạt gibbsite trong điều kiện tương tự không hòa tan mà thay vào đó dường như tạo thành kết tủa. Điều này trái ngược với các phép đo dựa trên dung dịch không có bức xạ, trong đó boehmite được chứng minh là ổn định hơn. Vì TEM dựa trên phép chiếu 2D nên rất khó xác định tổng lượng thể tích bị mất của các hạt. Ngoài ra, liều lượng chiếu xạ cực kỳ cao trong TEM, ngay cả trong điều kiện chụp ảnh nhẹ nhất, khiến việc so sánh giữa quá trình hòa tan có và không có chiếu xạ trở nên khó khăn.
Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) đã được sử dụng để theo dõi sự phát triển và hòa tan của các hạt gibbsite riêng lẻ trên nhiều chất nền khác nhau. Các nghiên cứu AFM có thể cho phép hiểu biết định lượng về sự thay đổi hình thái, sự hình thành và phát triển hoặc tốc độ thoái lui từng bước, và sự tăng hoặc giảm thể tích của từng hạt hoặc nhóm hạt trong nhiều điều kiện khác nhau. Gần đây, AFM có độ phân giải cao đã được sử dụng để mô tả tốc độ thoái lui từng bước dị hướng cho từng hạt gibbsite tại chỗ trong dung dịch NaOH. Nghiên cứu hiện tại bổ sung cho công trình trước đó này bằng cách khai thác một kính hiển vi lực nguyên tử độc đáo được trang bị nguồn tia X tích hợp cho phép nghiên cứu sự hòa tan của hạt khi bật hoặc tắt chiếu xạ, cả tại chỗ trong quá trình chụp ảnh và ngoài chỗ bằng cách chiếu xạ khi không chụp ảnh và sau đó quay trở lại cùng một hạt để mô tả chi tiết. Nền tảng AFM này cho phép đo trực tiếp các hiệu ứng chiếu xạ đối với sự hòa tan của từng hạt trong điều kiện dung dịch được kiểm soát, có thể so sánh với sự hòa tan trong điều kiện giống hệt nhau mà không cần chiếu xạ.
Tác động của bức xạ lên quá trình hòa tan của từng hạt gibbsite và các tập hợp hạt gibbsite trong trường nhìn hình ảnh được đo trực tiếp bằng AFM thực hiện trước và sau khi hòa tan trong dung dịch NaOH trong ba trường hợp: (1) không tiếp xúc với bức xạ, (2) được chiếu xạ khi còn trong dung dịch và (3) được chiếu xạ dưới He khô. Trong khi hệ thống AFM này có khả năng chiếu xạ tại chỗ, thí nghiệm được thực hiện có thể thay đổi môi trường khí và chất lỏng dễ dàng hơn và nói chung là cung cấp thông lượng cao hơn. Để tách biệt các quá trình này, cần có các thí nghiệm song song, trong đó chiếu xạ có thể làm thay đổi các đặc tính của hạt thông qua cả thiệt hại trong chất rắn cũng như thông qua các con đường phân giải phóng xạ trong dung dịch, so với heli khô đang chảy, các sản phẩm phân giải phóng xạ từ môi trường về mặt danh nghĩa là không đáng kể và do đó, có thể phân lập được các tác động của thiệt hại do bức xạ trong chất rắn đối với quá trình hòa tan sau đó.
Heli được sử dụng làm khí mang do bản chất trơ của nó. Vì các hạt trong cả hai trường hợp đều được chiếu xạ từ “mặt sau” (từ bên dưới chất nền hỗ trợ), không mong đợi sự khác biệt đáng kể về tỷ lệ liều lượng đối với chất rắn trong cả hai trường hợp. TiO2 được sử dụng làm chất nền do phản ứng tối thiểu trong dung dịch NaOH mục tiêu để hòa tan cũng như có cấu trúc đủ mạnh để cho phép độ dày chất nền rất mỏng và do đó làm giảm tối thiểu thông lượng tia X đến mẫu. Các chất nền này cũng cho phép bám dính tốt các hạt gibbsite. Sau khi hòa tan, các tập hợp hoạt động như các dấu hiệu chuẩn giúp định vị lại các hạt quan tâm, trái ngược với các hạt nhỏ hơn đã hòa tan hoàn toàn. Nhìn chung, hình thái của các hạt gibbsite sau khi hòa tan được quan sát thấy là không đều và tròn, với rất ít hoặc không có dấu hiệu bảo tồn các mặt tinh thể.
Tốc độ hòa tan của các hạt gibbsite có và không có hiệu ứng bức xạ trong NaOH 0,1 M được đo trực tiếp bằng AFM. Khi không có chiếu xạ, tốc độ hòa tan của các tập hợp của tất cả các hạt và tập hợp trong trường nhìn hình ảnh được phát hiện là nhất quán về mặt định lượng với tốc độ hòa tan của bột gibbsite khối. Tuy nhiên, cũng xác định rằng tốc độ này cao hơn khoảng 30% so với tốc độ của các tinh thể lý tưởng bị cô lập, chỉ ra tầm quan trọng chung của việc đánh giá sự đóng góp từ các hạt lỗi phát sinh từ hình dạng hạt dưới mặt đến anhedral và các tập hợp hạt, như đã được thực hiện trong nghiên cứu hiện tại. Chiếu xạ tia X trong dung dịch NaOH mang lại sự gia tăng tốc độ hòa tan lên tới 150%, giảm xuống còn 111% khi các hạt được chiếu xạ dưới He khô. Sự hòa tan tăng cường cũng có mặt ở rìa của trường chiếu xạ trong dung dịch nhưng không phải trong điều kiện khô, cho thấy tầm quan trọng của các sản phẩm phân hủy phóng xạ như peroxide do độ dài khuếch tán dài hơn so với các sản phẩm khác.
Chiếu xạ cũng được phát hiện làm tăng độ nhám của các hạt sau khi hòa tan theo các xu hướng tương tự, cho thấy sự hình thành khuyết tật trên bề mặt là cơ chế có khả năng làm tăng sự hòa tan. Nhìn chung, công trình này minh họa những lợi thế của việc sử dụng một nền tảng hình ảnh tiên tiến có khả năng phân tách các tác động của các con đường lắng đọng năng lượng khác nhau trong chất rắn khối so với trong dung dịch để hiểu các tác động của bức xạ lên độ ổn định của khoáng chất. Nghiên cứu sâu hơn với các điều kiện dung dịch phức tạp hơn gần với các điều kiện được tìm thấy trong chất thải hạt nhân được lưu trữ và giải thích bằng các phương pháp tính toán cuối cùng sẽ giúp phát triển sự hiểu biết mang tính dự đoán về hành vi của khoáng chất trong điều kiện hóa học và phóng xạ khắc nghiệt.
Từ khóa: chiếu xạ;
– CMD –
