环境友好型功能化聚合物对放射性核素的吸附研究

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随着社会和经济的发展,人类对能源的需求不断增加,核能作为一种低碳高效的能源,在缓解全球能源危机以及减少温室效应方面发挥着重要的作用。核能在生产利用过程中会伴随着放射性废液的产生,其中的可溶性放射性核素(UO22+、Cs+、Sr2+等)可转移到环境中,并通过食物链进一步沉积在动物、植物以及人体内,影响人类大脑、生殖系统以及免疫系统等,增加人类健康的风险。因此,从放射性废液中去除放射性核素铀、锶和铯对于环境和人类健康具有重要意义。目前已经开发了多种吸附剂用于放射性废液中核素的去除,然而吸附材料所造成的二次污染也越来越引起大家的关注。聚多巴胺和海藻酸钠类天然材料以及普鲁士蓝类生物材料,具有无毒、安全、亲水性和生物相容性好等优点。聚多巴胺和海藻酸钠含有丰富的-OH、-NH2、-COOH活性官能团,可通过配位或静电相互作用吸附金属离子;普鲁士蓝是美国食品药品监督管理局批准的促排剂,已在临床环境中用于清除人体中有害金属离子。本论文拟采用这些环境友好型功能化聚合物材料用于放射性废液中核素的高效去除。本文具体研究如下:(1)共印迹生物质气凝胶从高盐低放废液中同时去除放射性核素铀和锶从放射性废液中去除多种放射性核素对环境保护以及核能的可持续发展至关重要。本研究提出了一种从模拟高盐低放废液中同时选择性去除放射性核素铀和锶的方法。首先多巴胺和海藻酸钠分别与U(Ⅵ)和Sr(Ⅱ)印迹形成新型生物质气凝胶(U/Sr-IP),与非印迹材料相比,印迹后的气凝胶对U(Ⅵ)和Sr(Ⅱ)具有更好的吸附选择性。根据Langmuir模型计算,U(Ⅵ)和Sr(Ⅱ)的最大吸附容量分别为317和160 mg/g。同时选择性吸附U(Ⅵ)和Sr(Ⅱ)可以大大简化处理放射性废水工艺的复杂性。当氯化钠浓度达到(1 mol/L)时,即使循环5次,U/Sr-IP仍能保持83%的吸附容量。吸附后,U(Ⅵ)和Sr(Ⅱ)可以依次用Ca(NO3)2和Na2CO3洗脱分离,这种分步洗脱方法使得U/Sr-IP更具有实用价值。结果表明,U/Sr-IP在去除高盐低放废液中的放射性核素方面具有良好的应用前景。这项工作首次提出了通过共印迹方法同时选择性吸附两种或多种放射性核素的概念。(2)普鲁士蓝功能化共轭微孔聚合物对放射性核素铯的吸附研究铯是放射性废液中一种主要的放射性核素,从放射性废液中高效去除放射性铯具有重要意义。本研究提出了普鲁士蓝衍生物修饰的共轭微孔聚合物(CMP/PBA)用于去除放射性废水中的铯,CMP/PBA在pH2-8范围内均能保持较高的吸附效率,在pH 2条件下对铯可以达到143 mg/g吸附容量。吸附动力学表明,在pH为2的条件下,CMP/PBA对Cs+的吸附实验符合二级动力学模型,属于化学吸附,且在60分钟内即可达到吸附平衡。同时在K+、Na+、Ca2+、Mg2+等多种离子共存时,材料仍能保持较好的吸附性能,表明CMP/PBA在高盐条件下对Cs+具有优异的吸附选择性。该吸附剂可以解决普鲁士蓝纳米颗粒易于团聚,不易回收造成二次污染等问题,在放射性废液治理方面具有良好的应用前景。
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