功能化聚合物材料用于放射性核素检测与吸附研究

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核工业的发展总是伴随着一些放射性废物的产生。其中,碘放射性同位素(129I和131I)是乏燃料后处理厂的主要挥发性裂变产物。鉴于放射性碘的高挥发性和易扩散性,实时准确监测大气中的痕量放射性I2蒸气可以为核应急提供早期预警。此外,铀作为核工业的原料,同时也是放射性废液中最常见的核素,具有放射性和化学毒性且容易在环境中迁移,从而对环境和人类健康造成威胁。因此将铀从放射性废液中分离出来对核工业的可持续发展具有战略意义。电化学发光(ECL)技术是通过高能电子转移反应在电极界面上进行电化学氧化还原过程。由于避免了散射光及背景发光,ECL检测通常具有超高灵敏度。ECL成像技术由于其发光度强、灵敏度高、时间-空间可控性强等优点,可以实现高通量快速可视化检测分析。聚合物点由于其优异的光电性能,可被广泛应用于ECL成像。胺肟是最有效的螯合基团之一,在铀去除方面表现出巨大的潜力。同时,环氧树脂可与金属离子形成多配位络合物,具有选择性好及吸附量大的优点,可用于选择性吸附、分离溶液中的金属离子。本论文利用ECL成像技术,设计制备了一种基于自增强ECL的聚合物点可视化碘传感器,实现了对碘蒸气的快速实时监测。利用环氧树脂上的胺肟化修饰,合成了对铀具有选择性螯合配位作用的多孔聚合物,实现了高盐低放废水中铀的选择性去除。本文具体研究如下:(1)自增强电化学发光的聚合物纳米颗粒可视化传感器用于实时监测碘蒸气放射性碘(I2)同位素通常被视为核安全预警的指示物。为解决痕量碘快速实时监测的问题,首次利用ECL成像技术开发可视化I2实时监测系统。以聚[(9,9-二辛基-芴烯基-2,7-二酰基)-交替-(1,4-苯并{2,1’,3}-噻二唑)]为发射骨架,在侧链上修饰叔胺共反应基团,合成了痕量碘ECL探针。其对碘的检测限可低至0.01 ppt,是迄今为止检测碘蒸气的最低检测限。这一结果可归因于共反应基团中毒机理。本工作进一步基于具有较强ECL发光的共轭聚合物纳米颗粒与ECL成像技术相结合,以实现高选择性的可视化快速I2蒸气检测。基于氧化铟锡电极的ECL成像元件可以使碘检测系统更加方便,适用于核应急预警中的实时检测。检测结果不受有机化合物蒸气、湿度和温度的影响,表明对碘具有良好的选择性。这项工作为核应急预警构建了一种实时准确高效的新策略,在环境和核安全领域具有重要意义。(2)胺肟化环氧树脂多孔材料用于高盐低放废水中铀酰离子的分离环氧树脂可与金属离子形成多配位络合物,是去除金属离子的优良吸附剂,但其选择性限制了对特异性离子的吸附。本章报道了一种使用胺肟基团改性的环氧树脂大孔材料对高盐低放废水中铀酰离子进行高效分离的新策略。利用环氧树脂上的环氧基团合成了胺肟化功能性多孔材料PAO-EP,并利用SEM、FT-IR、XPS、TGA和EDX等一系列表征手段证明了材料的成功合成。吸附动力学研究发现,二级动力学模型更符合材料对铀酰离子的吸附过程,表明化学吸附是吸附过程的速率决定步骤,且在1h即可达到吸附平衡。吸附剂在其它竞争离子共存的条件下仍对铀酰离子具有良好的选择性,同时胺肟化环氧树脂材料还具有很好的耐盐性,说明吸附剂具有稳定的化学结构和较高的吸附效率。进一步设计合成了一种尺寸可调控的大孔吸附剂材料,对铀酰离子的吸附速率较快且具有高选择性。相对于粉末吸附剂,块状的整体式吸附材料在实际高盐低放废水的处理过程中具有方便回收的实用价值。
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