《Journal of Environmental Radioactivity》：Investigating uranium adsorption mechanism in red soil aggregates from uranium enriched tailings of the Jiangxi mining sites
编辑推荐：
红壤团聚体尺寸（0-1.00mm）对铀吸附及迁移的影响研究表明，铀吸附主机制包括表面官能团（-OH、Si-O等）络合及铁基矿物氧化还原反应，遵循伪二阶动力学，pH、固液比及接触时间显著影响吸附容量，Langmuir/Freundlich模型分别适用于S1/S3和S2/S4样本，揭示了铀在红壤中的多层级吸附特性及环境迁移规律。
Xuchen Weng|Guangya Kuang|Jiaai Chen|Taoyuan Xiu|Limin Zhou|Zhirong Liu
华东理工大学化学与材料科学学院，中国南昌330013
摘要
本研究揭示了不同尺寸（0–1.00毫米）的红土团聚体中矿物分布对从中国江西省采集的水性尾矿样品中铀的吸附和迁移作用。通过FTIR、XRD、SEM-EDS和XPS分析对土壤样品进行了全面表征。表征数据证实，铀的吸附主要通过以下两种方式实现：（i）与表面官能团（如–OH、Si–O、Si–O–Fe、Si–O–Al、Fe–O）的络合作用；（ii）与团聚体中含铁矿物的氧化还原反应。通过批量吸附实验研究了六价铀与红土团聚体之间的相互作用。铀的吸附去除遵循伪二级动力学过程，表明这是由化学吸附主导的。扫描电子显微镜研究验证了土壤保持了其微孔和中孔表面特性。吸附能力受溶液pH值、吸附剂用量和接触时间的影响。红土样品（S1和S3）的等温吸附数据与Langmuir模型吻合良好，而S2和S4的数据则符合Freundlich模型，表明存在异质多层吸附现象。这些发现为红土中铀的固定机制提供了重要见解，对铀污染地区的环境修复策略具有重要意义。
引言
铀（U）是一种天然存在的放射性元素，是核能发电的关键资源，但其开采和加工活动对环境构成重大风险。由于其在核能生产中的关键作用，铀受到了全球越来越多的关注。铀在地壳中的平均浓度为3毫克/千克（Henner等人，2018年），常见于岩石和土壤中，如铀矿石、卡诺石和沥青铀矿（Selvakumar等人，2018年；Thivya等人，2016年；Wu等人，2014年；Yu等人，2019年）。根据《世界核能发展报告》（2024年），全球共有443座核反应堆在运行，总装机容量为3.96×10^5兆瓦，另有61座反应堆正在建设中，装机容量为6.72×10^4兆瓦。2023年，全球核能发电量为2.65×10^3太瓦时，而铀的年需求量激增至6.83×10^4吨（You等人，2022年）。
铀尾矿是在硬岩铀矿开采和冶炼过程中产生的天然放射性废物（Fernandes等人，1996年）。铀矿开采通常会产生大量废石和尾矿，这些废物通常被长期储存在露天堆场和尾矿池中。经过强酸浸出后，通常使用石灰乳进行中和处理，随后将中和后的铀尾矿储存在露天池塘中。然而，由于铀矿中伴生黄铁矿的持续氧化（Kaksonen等人，2020年）、强酸降雨导致石灰中和产物的溶解（Coral等人，2018年）以及内部残留酸性物质的迁移和释放（Lahrouch等人，2022年），这些堆放的铀尾矿往往不稳定。铀尾矿长期暴露于大气侵蚀和雨水浸出作用下，会逐渐释放有毒金属和放射性核素，这些物质通过水文和风力作用迁移到周围的水体和土壤环境中，导致铀尾矿周边地区出现严重的生态污染。铀污染威胁着人类栖息地和健康。因此，必须采取积极措施来减轻铀废物的环境影响并保护生态环境。
铀在地下水中的迁移性主要受其氧化态的控制，其中U(VI)是主要存在形式。铀在地下水中的溶解度和迁移性高度依赖于水-岩相互作用、气候条件以及水文地球化学因素，包括pH值、氧化还原电位、离子强度和碳酸氢盐浓度（Chandrasekar等人，2021年；Vengosh等人，2022年）。地下水中铀含量升高通常与铀矿化带或富铀源岩（如花岗岩）有关（Sharma等人，2021年）。对印度地下水的调查显示，铀浓度普遍超过世界卫生组织推荐的30微克/升的临时指南，这归因于地质因素，如含铀岩石中的铀含量、氧化态以及有利于形成可溶性铀酰碳酸盐复合物的地下水化学性质（Coyte等人，2018年）。同样，在西班牙的Ridaura盆地，地下水中的铀浓度高达37.7微克/升，花岗岩风化被认为是主要来源（Sharma等人，2021年）。
在土壤微环境中，物理化学过程主要发生在团聚体结构单元的界面处。土壤团聚体在粒径分布上表现出多尺度异质性，从而导致成分、微观结构和物理化学性质的差异。因此，重金属（如铀）的环境行为在不同粒径段的团聚体中存在显著差异。鉴于土壤成分和结构的复杂性，基于团聚体分级的研究比整体土壤分析能更精确地了解铀的地球化学行为。铀在土壤中的迁移可能导致地下水渗透，进而威胁铀尾矿地区的供水、生态系统和人类健康。虽然土壤由于其吸附能力而起到天然屏障的作用，但它们也是外源铀污染的主要接收体。
以往关于土壤团聚体的研究主要集中在稳定性评估和粒径分布上，对微观结构特征（如孔隙形态、矿物的空间排列和有机物的分布）的关注较少。不同粒径段的团聚体在成分、比表面积、孔隙特征和氧化铁/铝含量方面存在显著差异。较大团聚体富含石英、长石和SiO2，而较小团聚体则含有更高比例的角闪石、云母、氧化铁或铝以及氢氧化物。氧化铁或铝通过其高表面积和官能团参与团聚体的形成和稳定性，并通过这些官能团固定重金属。一般来说，较小团聚体含有更多的有机物和氧化铁，比表面积更大，吸附位点更多，从而增强了重金属的积累（Xiao等人，2016年）。吸附-解吸动力学受表面积、孔隙结构、共存有机物和离子的影响。主要机制包括静电吸引、氢键作用、孔隙填充、离子交换和络合作用（An等人，2024年）。
控制地下环境中铀形态的关键因素包括土壤溶液的pH值、阳离子类型/浓度、配体（如碳酸盐）的可用性、氧化还原条件、有机物含量和矿物组成。这些地球化学参数决定了铀的形态，并调节土壤表面性质，从而影响吸附作用。Bister等人（2015年）报告称，在德国Mulde河泛滥平原的牧场下方冲积土中，铀浓度高于农田土壤。Johnson等人（De Windt等人，2025年）观察到碱性沙漠土壤中铀浓度随深度的变化，其分布系数与粘土含量和pH值相关。Stojanovic等人（Izquierdo等人，2025年）发现塞尔维亚土壤类型中总铀/可利用铀与腐殖质含量之间没有显著关系。Li等人（X. Li等人，2013年）表明，在非饱和带土壤中，pH值为7.0时铀的吸附效果最佳，溶液pH值、接触时间、初始浓度和胶体是主要影响因素。
相关研究表明，pH值对土壤团聚体的表面电荷、重金属离子的化学形态、重金属离子的水解程度、有机物的溶解度以及土壤吸附介质的官能团特性具有重要影响。有机物含有丰富的官能团，可以与污染物（尤其是重金属元素）形成稳定的复合物，有效降低重金属的生物可利用性和毒性（Sodré等人，2019年）。土壤对重金属的吸附能力与（铁-铝）氧化物的含量密切相关，富含铁的土壤表现出更强的金属吸附和保留能力（Zhao等人，2021年）。
总之，环境地球化学因素对土壤中铀的物理化学行为具有关键调节作用，最终决定了其在地下的迁移。近期研究主要集中在含水层中铀的迁移机制上，但对于中国南部典型铀尾矿中的红土中铀的迁移性和外源污染知之甚少。为了解决这一问题，迫切需要对这些地区土壤团聚体中的铀吸附和迁移特性进行全面研究。
部分内容摘录
化学试剂
硝酸铀酰六水合物和硝酸由上海麦克林生化科技有限公司提供；砷唑III、氯乙酸和醋酸钠由国药化学试剂有限公司提供；盐酸由实龙化工有限公司提供。所有化学品均为分析级试剂。仪器设备
使用扫描电子显微镜（SEM）对制备的生物复合材料的元素组成、形态、表面纹理和元素分布进行了表征。
粒径和液固比的影响
图3显示了在固定条件下（t = 24小时，pH = 5.0，T = 25°C，[C0] = 10毫克/升，液固比为50、100、150、200、300和400）红土团聚体粒径和液固比对铀(VI)吸附的影响。结果表明，随着团聚体粒径的减小，铀的吸附效率提高，S1/S2和S3/S4团聚体之间的差异显著。具体来说，S1和S2表现出相似的铀(VI)吸附速率。结论
本研究制备了不同粒径的红土团聚体，并通过批量静态吸附实验研究了它们的铀吸附行为。根据不同实验条件下的吸附特性得出以下结论：
(1)不同液固比、粒径、反应时间、pH值、初始U(VI)浓度和温度对U(VI)吸附的影响表现出两种不同的趋势：
CRediT作者贡献声明
Xuchen Weng：撰写——原始稿件，软件使用，实验研究，数据整理。Guangya Kuang：方法论设计，概念构思。Jiaai Chen：实验研究。Taoyuan Xiu：结果验证，实验研究。Limin Zhou：数据可视化，实验研究。Zhirong Liu：撰写——审稿与编辑，项目监督，资金筹集。
资助
感谢国家自然科学基金（编号：22266004、12475337）和中国铀工业公司与华东理工大学核资源与环境国家重点实验室联合创新基金项目（2023NRE-LH-18）的财政支持。
