Dự đoán về độ ổn định của pha khoáng trong các điều kiện khắc nghiệt như trong chất thải hạt nhân đến nay vẫn là thách thức đối với giới khoa học, do ảnh hưởng của bức xạ ion hóa. Tác động lâu dài của tổn thương tích lũy do bức xạ trong pha rắn và việc tiếp xúc với các sản phẩm bức xạ trong dung dịch có thể ảnh hưởng đến kết tủa, hòa tan và kết tập của khoáng vật. Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã cố gắng tách biệt một số ảnh hưởng đó bằng cách khảo sát quá trình hòa tan của các hạt phiến gibbsite trong dung dịch NaOH, sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) kết hợp với nguồn tia X tích hợp. Phương pháp này cho phép so sánh tốc độ hòa tan khi các hạt được chiếu xạ ở trạng thái khô và khi được chiếu xạ trong dung dịch, và so sánh với mẫu đối chứng không chiếu xạ.
Dự đoán và kiểm soát hành vi kết tủa và kết tập của các pha khoáng dưới tác động của bức xạ ion hóa là rất quan trọng cho các ứng dụng lưu trữ, trích xuất và xử lý chất thải hạt nhân. Các pha chứa nhôm như gibbsite và boehmite đặc biệt được quan tâm trong xử lý chất thải kiềm phức tạp tại khu lưu trữ Hanford ở bang Washington (Mỹ), nơi nhôm chiếm phần lớn tổng lượng kim loại. Việc trích xuất và xử lý chất thải trở nên khó khăn do chưa hiểu rõ ảnh hưởng của tiếp xúc với bức xạ đến độ ổn định hóa học, điện tích bề mặt và hành vi kết tập của các khoáng vật này. Do đó, cần có hiểu biết cơ bản về các biến đổi do bức xạ gây ra bên trong tinh thể và tại các giao diện, đặc biệt là phân tách rõ giữa tổn thương trong pha rắn và hiệu ứng của các loài phân giải phóng xạ trong dung dịch.
Hầu hết nghiên cứu trước đây sử dụng bột khoáng và phân tích dung dịch sau hòa tan. Một nghiên cứu chỉ ra tốc độ hòa tan gibbsite tăng mạnh sau khi chiếu tia X, đặc biệt khi hòa tan trong NaOH 9,6 M ở 60 °C so với 90 °C. Các nghiên cứu TEM tại chỗ cho thấy boehmite hòa tan bằng cơ chế tách lớp, còn gibbsite thì lại tạo kết tủa, mâu thuẫn với các đo lường dung dịch không có bức xạ, vốn cho rằng boehmite bền hơn. Tuy nhiên, TEM sử dụng chùm điện tử liều cao nên khó so sánh hiệu ứng bức xạ một cách rõ ràng. Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) đã được sử dụng để theo dõi sự phát triển và hòa tan của hạt gibbsite riêng lẻ, cung cấp thông tin định lượng về thay đổi hình thái, tốc độ phát triển hoặc rút bậc, và thể tích hạt. Gần đây, AFM độ phân giải cao đã được dùng để xác định tốc độ rút bậc dị hướng của gibbsite trong NaOH. Nghiên cứu này sử dụng AFM có tích hợp nguồn tia X, cho phép tìm hiểu ảnh hưởng của bức xạ đến hòa tan hạt đơn trong điều kiện dung dịch kiểm soát và so sánh trực tiếp với mẫu không chiếu xạ.
Tốc độ hòa tan trung bình của các hạt gibbsite trong trường nhìn là 6,3 ± 1,5 mol/μm²/h, phù hợp với giá trị từ phương pháp dung dịch (6,9 mol/μm²/h). Khi chiếu xạ trong dung dịch, tốc độ tăng gần gấp đôi: 11,2 ± 7,6 mol/μm²/h. Các hạt đơn có hình thái hoàn hảo, chiều cao >14 nm được chọn riêng. Kết quả:
- Không chiếu xạ: 4,4 ± 1,2 mol/μm²/h
- Chiếu xạ trong dung dịch: 11,0 ± 2,8 mol/μm²/h
- Chiếu xạ khô: tăng ∼111% so với không chiếu xạ
Tốc độ hòa tan phụ thuộc vào vị trí trong chùm tia X: tại tâm chùm, tăng 150%, còn ở rìa, chỉ tăng 93%. So sánh chu vi hạt so với hình lục giác lý tưởng cùng diện tích cho thấy:
- Trước hòa tan: ~1,04–1,07
- Sau hòa tan:
- Không chiếu xạ: 1,09 ± 0,08
- Chiếu xạ trong dung dịch: 1,25 ± 0,10 (tâm) và 1,19 ± 0,10 (rìa)
- Chiếu xạ khô: 1,14 ± 0,04 (tâm) và 1,05 ± 0,02 (rìa)
Kết quả chỉ ra rằng cả cơ chế trực tiếp (tổn thương cấu trúc tinh thể) và gián tiếp (sản phẩm phân giải nước như HO₂⁻) đều góp phần vào tăng tốc độ hòa tan gibbsite. Một số nghiên cứu trước đã ghi nhận hiện tượng tương tự, với các OH nhóm trên bề mặt bị tách bởi bức xạ gamma, dẫn đến tăng nhôm kim loại và giảm nhóm OH (theo phân tích XPS và phổ tần số dao động). Các sản phẩm phân giải nước bao gồm electron hóa giải (eₐq⁻), gốc H•, OH•, H₃O⁺, H₂O₂, HO₂⁻,… Trong môi trường kiềm mạnh như NaOH 0,1 M, phần lớn các loài này nhanh chóng phân ly, ngoại trừ H₂O₂/HO₂⁻ với pKa ≈ 11,65. Có thể HO₂⁻ đã oxy hóa bề mặt gibbsite, góp phần tăng tốc độ hòa tan.
Tốc độ hòa tan của gibbsite trong 0,1 M NaOH được đo trực tiếp bằng AFM, cho thấy:
- Tốc độ hòa tan tăng tới 150% khi chiếu tia X trong dung dịch.
- Khi chiếu xạ khô trước hòa tan, tốc độ tăng 111%.
- Cả hai hiệu ứng trực tiếp (tổn thương tinh thể) và gián tiếp (phản ứng với HO₂⁻) đều góp phần vào sự gia tăng này.
- Độ nhám bề mặt tăng theo cùng xu hướng, cho thấy hình thành khuyết tật đóng vai trò quan trọng.
Nghiên cứu này chứng minh hiệu quả của hệ đo ảnh AFM kết hợp tia X trong việc phân tách hiệu ứng bức xạ trong pha rắn và dung dịch. Các nghiên cứu tiếp theo với điều kiện dung dịch phức tạp hơn, gần với thực tế chất thải hạt nhân, kết hợp với mô phỏng phân tử sẽ giúp xây dựng mô hình dự đoán hành vi khoáng vật trong điều kiện hóa học và phóng xạ khắc nghiệt.
Từ khóa: bức xạ;
– CMD –
