纳米零价铁富集水中痕量铀微观机理及宏观调控研究

Recent advances suggest that nanoscale zero valent iron (nZVI) has a unique core-shell structure, and favorable surface and solution chemistry for the sorption, reduction, enrichment and separation of heavy metals. Our work further demonstrates that nZVI is highly effective for scavenging trace-level uranium from water. This proposed research is aimed to delineate the reaction mechanisms of heavy metals such as U(VI) in nZVI and explore the feasiability of nZVI for enrichment and separation of uranium from wastewater, seawater and ground water. State-of-the-art aberration corrected scanning transmission electron microscopy (STEM) will be utilized to obtain elemental mapping of uranium in a single nanoparticle under a wide range of experimental conditions. A model of U-nZVI reactions will be built based on the atomic resolution 3D mappings. Furthermore, chemical activity and hydrodynamics of nZVI will be systematically examined in continuous flow reactors to evaluate the performance of nZVI for large-scale uranium recovery.

铀是重要的战略资源，在环境水体如海水、地下水中储量巨大但极其分散，如何实现痕量铀高效富集、分离，降低环境毒害性是地球及环境科学研究前沿。纳米零价铁（nZVI）独特的核-壳结构使其具有丰富的物理化学性能，特别适用于重金属污染控制。本项目拟研究nZVI富集分离水中痕量铀微观作用机制，重点考察nZVI三维核-壳结构与铀之间反应，阐明界面成分、赋存状态、复杂环境条件对铀富集分离的影响，确定产物的稳定性及环境效应。利用球差校正扫描透射电镜 （STEM）结合能量散射谱、电子能量损失谱确立三维nZVI元素分布、微观界面反应模型，在原子层次上分析三维动态结构性能演变与铀之间界面反应及电子迁移机制。在上述研究基础上，构建“反应-分离-回用”式连续流反应装置，探究nZVI连续富集实际水体中铀的行为及稳态调控机制。研究将丰富地球及环境科学内涵，有助于我国核能事业稳定发展，为铀污染控制及资源化提供新的科学思路。

铀是一种放射性污染物，同时也是重要的能源物质。富集废水中的铀不仅能够降低放射性污染物的危害，还可以缓解铀资源短缺的问题。纳米零价铁（nanoscale zero-valent iron, nZVI）具有颗粒粒径小、比表面积大、反应活性高等优势，是一种高效的环境修复材料。本项目研究了水质条件以及连续流反应器参数对nZVI富集铀的反应机理及效率的影响。.nZVI与铀离子之间的反应速率和反应机理受水质条件的影响。研究结果表明， nZVI对铀离子的最大去除负荷高达4140.89 mg/g，固-液分配系数（Kd）达到1.25×108 mL/g，反应后nZVI中铀主要以U(IV)的形式存在。在低U/nZVI比例条件下，Fe(0)和Fe(II)将U(VI)还原为 U(IV)。而在高U/nZVI比例条件下，U(VI)离子水解形成UO3·2H2 O沉淀在nZVI 颗粒表面。.碳酸氢根是放射性废水中主要的共存阴离子，一般浓度较高，nZVI不可避免地在碳酸氢根溶液中被老化。本项目进一步比较分析了新鲜 nZVI、在去离子水中老化的nZVI（nZVIw/o）和在碳酸氢钠溶液中老化的nZVI（nZVIw）去除铀离子的性能和机理。研究结果表明，碳酸氢根的老化作用会降低nZVI颗粒对铀离子的去除和还原能力。当铀溶液中不存在碳酸氢根时，nZVI、nZVIw/o和nZVIw对铀离子的去除负荷分别为103.8、101.0和41.6 mg/g，其中U(IV)的含量分别为85.8、15.0和22.7 mg/g。而碳酸氢根的络合作用仅降低nZVI对铀离子的还原能力。.nZVI可以高效富集铀尾矿废水中低浓度的铀离子。废水溶液的初始pH和nZVI投加量影响nZVI去除铀等金属离子的去除效果。连续流反应器中，nZVI颗粒主要通过还原作用富集铀尾矿废水中低浓度（0.31 ± 0.03 mg/L）的铀离子。废水中97.41%的铀离子被nZVI分离富集，反应后固体产物中稳定性高的铀还原态化合物占比超过80%。提高连续流反应器中nZVI投加量，缩短水力停留时间和减小回流比都可以促进nZVI富集、分离浸渍水中的铀等金属离子。反应器最佳运行条件下，193 h内，60.22 g nZVI以平均0.80 mg/h的速率从497.7 L废水中富集149.94 mg铀。