多离子印迹硅基材料用于高盐低放废水深度净化的应用基础研究

With the development of nuclear power, plenty of radioactive liquid wastes will be produced. Most of them are low-level radioactive waste water (LRW) with high salinity containing harmful radionuclides. Therefore, it is of strategic importance to develop novel materials and techniques for effective removal of radionuclides from high-salinity LRW. However, high salinity, co-existing metal ions and low concentration of radionuclides in LRW lead to a number of problems in radionuclides adsorption such as poor selectivity, low adsorption rate and capacity, as well as difficulty in operability. .In order to address these problems, we aim to design and synthesize silicon-based materials with multi-ion imprinting on the surface for removal of radionuclides from LRW with high salinity. In this work, a serial of silicon-based materials with several kinds of radionuclides imprinting are prepared. The relationship between structures of imprinting materials and adsorption performances are investigated. The effects of pH value, contact time and salinity on sorption capacity for radionuclides (Sr, Cs, Tc, U, etc.) are also studied. Desorption efficiency, reusability and irradiation stability of the imprinting materials are discussed. In addition, we will investigate the sorption mechanism via physicochemical characterization before and after sorption, based on simulation and calculation. Therefore, this work is expected to obtain the materials with fast rate, high selectivity, and large capacity for removal of radionuclides from LRW with high salinity.

随着核能的发展将会产生大量放射性废液，其中大部分是高盐低放废液，包含了多种污染环境、危害人类健康的放射性核素。因此，高盐低放废液中放射性核素的去除具有重要意义。然而，盐度高、共存离子多、放射性核素浓度低导致材料吸附选择性差、速率低、容量小且可操作性较差。针对这些问题，本项目创新地将多离子印迹化技术应用于高盐低放废液中多种放射性核素的高效去除。以不同硅基材料为载体，通过离子印迹技术，制备表面含有多种放射性核素离子印迹的吸附材料。研究印迹材料结构对吸附性能的影响规律；探讨pH值、接触时间、盐度等对各种放射性核素（包括Sr、Cs、Tc和U等）吸附能力的影响；并研究材料的离子洗脱效率,使用寿命及耐辐照性能。通过吸附前后材料的物理化学表征，结合数据模型和计算，推断吸附机理。通过本项目的研究，预期可以实现对放射性离子从高盐低放废水中的快速、大容量、高选择性的去除，从而达到深度净化的目的。

核能的发展伴随大量放射性废液的产生，其中大部分是高盐低放废液，包含了多种对环境和健康有害的放射性核素。因此，高盐低放废液中放射性核素的深度去除对核能可持续发展与环境保护均有重要意义。为了确定不同核素在特定环境下的化学形态与含量以开发高效吸附材料，本项目首次利用共轭聚合物纳米颗粒制备了电化学发光（ECL）铀检测探针，并研制了配套的便携式ECL检测器，实现了对高盐低放废液中铀浓度及化学形态的快速精确、可视化检测，并进一步将该技术推广到其它核素的化学形态与含量检测中。在此基础上，针对低放废液的高盐度和大量共存离子的挑战，项目团队发展了一种具有热响应性的铀印迹磁性微球从高盐废水中高选择性、快速回收铀的策略。利用温度响应的铀印迹腔，材料可在其最低临界溶解温度（LCST）以下快速选择性吸附铀，并在LCST以上高效洗脱铀，提出了一种温度促进核素吸附-脱附的新技术。针对传统印迹吸附剂传质速率低、位点可及性差的瓶颈，项目团队研究了一种含膦酸酯配体的铀印迹片层硅材料以及带有开放性纳米阱的二维铀印迹网络，可极大地提高对铀酰的选择性吸附。由于大多数低放废液中均含有铀、锶和铯等多种放射性核素，本项目利用共印迹策略制备了印迹气凝胶从高盐低放废液中同时高选择性去除铀和锶，提出了利用生物源气凝胶实现同时选择性吸附多种放射性核素的概念；设计了铀和铯双印迹的介孔二氧化硅，利用双离子印迹腔与多反应机制的协同作用，同时高效分离高盐环境中铀和铯。批量制备了铀印迹硅基材料并将其应用于实际高盐低放废液中铀的有效分离，初步评价了印迹材料的实际应用价值。在吸附机理研究方面，利用多种能谱技术和密度泛函理论计算揭示了构效关系，从分子水平阐明了吸附机理。本项目研究成果可为核工业后处理中高盐低放废液的深度净化提供材料技术支持，也可为其它领域中高效吸附剂的设计提供理论基础。