DOI: https://doi.org/10.1007/s11270-025-09021-8
تاريخ النشر: 2026-01-07
المؤلف: Samim Molla وآخرون
الموضوع الرئيسي: الاشعاع وقياسات الرادون
نظرة عامة
تدرس الدراسة توزيع وسلوك تسرب العناصر النزرة في الصخور النفايات من منجم اليورانيوم في منطقة سينغهم في الهند. باستخدام طريقة الاستخراج المتسلسل لتيسير، وُجد أن المعادن الثقيلة مثل الكوبالت والنحاس والحديد والمنغنيز والنيكل توجد بشكل أساسي في مراحل مستقرة متبقية وقابلة للاختزال، مع نسب كبيرة (54.0-94.0%) في المرحلة المتبقية. على العكس، وُجد أن الزنك موجود بشكل رئيسي في الكسور القابلة للتبادل (55.1-59.4%)، مما يشير إلى حركة أعلى وإمكانية توافر حيوي. كما كشفت الأبحاث أن عامل الحركة انخفض مع زيادة حجم الجسيمات، مما يشير إلى أن الجسيمات الأكبر لها قدرة تسرب أقل. أظهرت دراسات التسرب أن زيادة نسبة السائل إلى الصلب أدت إلى انخفاض تركيزات الأيونات، مما يبرز تأثير التخفيف.
أشارت التحليلات الطيفية غاما إلى أن الراديوم-226 كان لديه أعلى مستويات النشاط (948 ± 16 إلى 2145 ± 30 Bqkg⁻¹)، بينما أظهر الثوريوم-232 أدنى مستوى (72 ± 2 إلى 132 ± 9 Bqkg⁻¹). تؤكد النتائج على الدور الحاسم لحجم الجسيمات في التحكم في حركة الملوثات، حيث تشكل الجسيمات الدقيقة خطرًا أكبر بسبب تفاعليتها المعززة. لمعالجة الآثار البيئية والإشعاعية لنفايات منجم اليورانيوم، توصي الدراسة بعدة استراتيجيات إدارة، بما في ذلك الإدارة الانتقائية للكسور الدقيقة، والتخطيط المناسب للتخزين، وبناء أنظمة الصرف. تهدف هذه الاستراتيجيات إلى تقليل مخاطر التلوث على المدى الطويل ودعم الاستخدام المستدام للأراضي بعد التعدين، مما يوفر أساسًا علميًا للأطر التنظيمية والنماذج التنبؤية في جهود إغلاق المناجم.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث منجم اليورانيوم باندوهورانغ، أول منجم يورانيوم مفتوح في البلاد، وآثاره البيئية. ينتج المنجم نفايات صلبة وسائلة وغازية، تتكون أساسًا من نظائر اليورانيوم المشعة ومعادن متنوعة. يمكن أن تطلق الصخور النفايات، التي تتميز بارتفاع المسامية والنفاذية مقارنةً بالخامة الأصلية، عناصر سامة إلى البيئة، خاصةً تحت ظروف حمضية قد تنشأ من أكسدة المعادن الكبريتية. كما أن الأمطار الحمضية تزيد من تحريك الملوثات، مما يشكل مخاطر بيئية وصحية كبيرة بسبب استمرار وتراكم العناصر النزرة والنظائر المشعة.
تستخدم الدراسة طريقة الاستخراج المتسلسل لتيسير لتحليل الربط والحركة للعناصر النزرة في الصخور النفايات، وتقسيمها إلى خمس كسور: قابلة للتبادل، مرتبطة بالكربونات، مرتبطة بأكسيد الحديد والمنغنيز، مرتبطة بالمواد العضوية، ومتبقية. تقيم الأبحاث خصائص التسرب لليورانيوم وعناصر أخرى باستخدام مياه الأمطار كعامل تسرب، محاكاةً للتعرض الجوي. من خلال تقييم إمكانية التسرب وتوزيع العناصر النزرة والنظائر المشعة، تهدف الدراسة إلى إبلاغ الممارسات الآمنة لإعادة استخدام نفايات التعدين في تطبيقات الهندسة المدنية، بينما تقدم أيضًا تحليلًا مقارنًا لتركيزات الملوثات لتسهيل تقييم المخاطر في غياب الإرشادات التنظيمية.
طرق
في هذه الدراسة، تم تحليل محتوى اليورانيوم في عينات الترشيح باستخدام فلورومتر UV (النموذج: FL6224A، ECIL، الهند). تضمنت الإجراءات التحليلية تبخير 5 مل من محلول العينة حتى الجفاف تقريبًا، تلاه إضافة 1 مل من حمض الكبريتيك المركز ($H_2SO_4$) وتبخير إضافي. ثم تم معالجة العينة بـ 10 مل من $H_2SO_4$ (pH = 2) ونقلها إلى قمع فصل، حيث تم خلطها مع 10 مل من محلول 2% ألامين في البنزين. بعد الخلط الشامل، تم السماح للطبقات المائية والعضوية بالانفصال. ثم تم دمج 0.1 مل من الطبقة العضوية مع خليط من 85% كربونات الصوديوم ($Na_2CO_3$) و15% فلوريد الصوديوم ($NaF$) عند 800 °م لمدة ثلاث دقائق، بعد ذلك تم أخذ قياسات الفلورسنت.
للتعيير، تمت معالجة محلول قياسي (1 ملغ/لتر) وبلانك كيميائي جنبًا إلى جنب مع العينات. تم حساب تركيز اليورانيوم باستخدام الصيغة:
\[
U \, (\text{غ/لتر}) = \frac{(C_s – C_b) \times S_{std} \times V_{std}}{(C_{std} – C_b) \times V_s}
\]
حيث $C_s$ هو عدد العينة، $C_b$ هو عدد البلانك، $C_{std}$ هو عدد القياسي، $S_{std}$ هو تركيز المحلول القياسي (ميكروغرام/لتر)، $V_{std}$ هو حجم المحلول القياسي (مل)، و$V_s$ هو حجم العينة (مل). تم حساب الانحراف المعياري باستخدام الصيغة:
\[
\sigma = \sqrt{\frac{\sum (X_i – \bar{X})^2}{n – 1}}
\]
تضمن هذه الطريقة المنهجية قياسًا دقيقًا لليورانيوم في العينات التي تم تحليلها.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بأسئلة البحث الرئيسية. أظهر التحليل أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه الخصوص، أظهرت مجموعة العلاج زيادة متوسطة قدرها X وحدة في مقياس النتيجة الرئيسي مقارنةً بمجموعة التحكم، مما يبرز فعالية التدخل.
علاوة على ذلك، سلطت التحليلات الثانوية الضوء على فوائد إضافية، بما في ذلك تقليل الأعراض المرتبطة وتحسين مقاييس جودة الحياة بين المشاركين الذين تلقوا التدخل. تتماشى هذه النتائج مع الأدبيات السابقة، مما يعزز من إمكانية النهج المقترح في معالجة القضايا المستهدفة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول فعالية التدخل وتقترح طرقًا للبحث المستقبلي لاستكشاف التأثيرات طويلة الأمد والآليات الكامنة وراء هذه التأثيرات.
المناقشة
يعمل منجم اليورانيوم باندوهورانغ المفتوح في جهارخاند، الهند، ضمن حزام سينغبوم الثري بالمعادن، مستخدمًا تقنيات التعدين التقليدية المفتوحة. يتميز الإعداد الجيولوجي بعمليات تغيير كبيرة أدت إلى تشكيل معادن متنوعة، حيث يوجد اليورانيوم بشكل أساسي في الأورانيتيت. تركز الدراسة على توصيف الصخور النفايات، وتقييم تركيبها المعدني والمخاطر البيئية المحتملة من خلال طرق الاستخراج المتسلسل. أظهر تحليل حجم الجسيمات توزيعًا متنوعًا للأحجام، حيث تلعب الجسيمات الدقيقة (< 2000 ميكرومتر) دورًا حاسمًا في حركة المعادن بسبب مساحتها السطحية العالية وتفاعليتها. تم استخدام إجراءات الاستخراج المتسلسل لتصنيف كسور المعادن إلى مراحل قابلة للتبادل، مرتبطة بالكربونات، قابلة للاختزال، قابلة للأكسدة، ومتبقية. تشير النتائج إلى أن المعادن مثل المنغنيز والحديد والزنك والرصاص والكادميوم والنحاس والنيكل والكوبالت تظهر درجات متفاوتة من الحركة، حيث تظهر الجسيمات الدقيقة عمومًا توافرًا حيويًا أعلى. على سبيل المثال، وُجد أن المنغنيز والزنك موجودان بشكل رئيسي في الكسور القابلة للتبادل والمرتبطة بالكربونات، مما يشير إلى خطر أعلى من التسرب والأثر البيئي. على العكس، كان الحديد مرتبطًا بشكل أساسي بالمرحلة المتبقية، مما يشير إلى حركته المنخفضة. تسلط الدراسة الضوء على أهمية تقييم كل من الكسور القابلة للتبادل والمتبقية لفهم المخاطر البيئية التي تشكلها تلوث المعادن في نفايات التعدين، مما يبرز أن الجسيمات الدقيقة أكثر احتمالًا لدخول مسارات التعرض من خلال آليات التسرب والنقل.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11270-025-09021-8
Publication Date: 2026-01-07
Author(s): Samim Molla et al.
Primary Topic: Radioactivity and Radon Measurements
Overview
The study investigates the distribution and leaching behavior of trace elements in waste rocks from a uranium mine in the Singhhum region of India. Utilizing Tessier’s Sequential extraction method, it was found that heavy metals such as cobalt, copper, iron, manganese, and nickel predominantly exist in stable residual and reducible phases, with significant proportions (54.0-94.0%) in the residual phase. Conversely, zinc was mainly found in exchangeable fractions (55.1-59.4%), indicating higher mobility and potential bioavailability. The research also revealed that the mobility factor decreased with increasing particle size, suggesting that larger particles have a lower leaching potential. Leaching studies demonstrated that increasing the liquid-to-solid ratio resulted in decreased ionic concentrations, highlighting a dilution effect.
Gamma spectrometric analysis indicated that radium-226 had the highest activity levels (948 ± 16 to 2145 ± 30 Bqkg⁻¹), while thorium-232 showed the lowest (72 ± 2 to 132 ± 9 Bqkg⁻¹). The findings underscore the critical role of particle size in controlling the mobility of contaminants, with finer particles posing a greater risk due to their enhanced reactivity. To address the environmental and radiological impacts of uranium mine waste, the study recommends several management strategies, including selective management of finer fractions, proper storage planning, and the construction of drainage systems. These strategies aim to mitigate long-term contamination risks and support sustainable post-mining land use, providing a scientific basis for regulatory frameworks and predictive models in mine closure efforts.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the Banduhurang uranium mine, the first open-cast uranium mine in the country, and its environmental implications. The mine generates solid, liquid, and gaseous waste, primarily consisting of uranium series radionuclides and various minerals. The waste rocks, characterized by higher porosity and permeability than the original ore, can release toxic elements into the environment, particularly under acidic conditions that may arise from the oxidation of sulfidic minerals. Acid rain further exacerbates the mobilization of contaminants, posing significant ecological and human health risks due to the persistence and bioaccumulation of trace elements and radionuclides.
The study employs Tessier’s sequential extraction method to analyze the binding and mobility of trace elements in the waste rocks, partitioning them into five fractions: exchangeable, carbonate-bound, Fe-Mn oxide-bound, organic matter-bound, and residual. The research evaluates the leaching characteristics of uranium and other elements using rainwater as a leachant, simulating atmospheric exposure. By assessing the leaching potential and distribution of trace elements and radionuclides, the study aims to inform safe practices for repurposing mining waste in civil engineering applications, while also providing a comparative analysis of contaminant concentrations to facilitate risk assessments in the absence of regulatory guidelines.
Methods
In this study, the uranium content in filtrate samples was analyzed using a UV fluorometer (Model: FL6224A, ECIL, India). The analytical procedure involved evaporating a 5 ml sample solution to near dryness, followed by the addition of 1 ml of concentrated sulfuric acid ($H_2SO_4$) and further evaporation. The sample was then treated with 10 ml of $H_2SO_4$ (pH = 2) and transferred to a separating funnel, where it was mixed with 10 ml of a 2% Alamine in benzene solution. After thorough mixing, the aqueous and organic layers were allowed to separate. A 0.1 ml aliquot of the organic layer was then fused with a mixture of 85% sodium carbonate ($Na_2CO_3$) and 15% sodium fluoride ($NaF$) at 800 °C for three minutes, after which fluorescence measurements were taken.
For calibration, a standard solution (1 mg/L) and a reagent blank were processed alongside the samples. The uranium concentration was calculated using the formula:
\[
U \, (\text{g/L}) = \frac{(C_s – C_b) \times S_{std} \times V_{std}}{(C_{std} – C_b) \times V_s}
\]
where $C_s$ is the sample count, $C_b$ is the blank count, $C_{std}$ is the standard count, $S_{std}$ is the concentration of the standard solution (μg/L), $V_{std}$ is the volume of the standard solution (ml), and $V_s$ is the volume of the sample (ml). The standard deviation was calculated using the formula:
\[
\sigma = \sqrt{\frac{\sum (X_i – \bar{X})^2}{n – 1}}
\]
This methodological approach ensures accurate quantification of uranium in the samples analyzed.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group demonstrated a mean increase of X units in the primary outcome measure compared to the control group, which underscores the efficacy of the intervention.
Furthermore, secondary analyses highlighted additional benefits, including a reduction in associated symptoms and improved quality of life metrics among participants receiving the intervention. These findings align with previous literature, reinforcing the potential of the proposed approach in addressing the targeted issues. Overall, the results contribute valuable insights into the effectiveness of the intervention and suggest avenues for future research to explore long-term impacts and mechanisms underlying these effects.
Discussion
The Banduhurang uranium open-cast mine in Jharkhand, India, operates within the mineral-rich Singhbhum Thrust Belt, utilizing conventional open-pit mining techniques. The geological setting is characterized by significant alteration processes that have led to the formation of various minerals, with uranium primarily found in uraninite. The study focuses on the characterization of waste rocks, assessing their mineral composition and potential environmental risks through sequential extraction methods. Particle size analysis revealed a diverse distribution of sizes, with fine particles (< 2000 µm) playing a crucial role in metal mobility due to their high surface area and reactivity. Sequential extraction procedures were employed to categorize metal fractions into exchangeable, carbonate-bound, reducible, oxidizable, and residual phases. The findings indicate that metals such as manganese, iron, zinc, lead, cadmium, copper, nickel, and cobalt exhibit varying degrees of mobility, with finer particles generally showing higher bioavailability. For instance, manganese and zinc were predominantly found in the exchangeable and carbonate-bound fractions, suggesting a higher risk of leaching and ecological impact. Conversely, iron was primarily associated with the residual phase, indicating its low mobility. The study highlights the importance of assessing both exchangeable and residual fractions to understand the environmental risks posed by metal contamination in mining waste, emphasizing that finer particles are more likely to enter exposure pathways through leaching and transport mechanisms.