金属有机骨架膜在放射性废液处理中的应用研究

The development of novel separation methods to achieve rapid, efficient and green radionuclides decontamination is very important for the reduction of radioactive waste liquid and for the prevention of the spread of radioactive contamination. The membrane separation technology can overcome the problems of complex process and high energy consumption in the traditional aqueous phase treatment methods, and has great application potential in radiochemical separation. Due to its diverse structure, adjustable pore size, chemically modifiable pores and breaking the zeolite pore size and chemical composition of the limitations, metal-organic frameworks (MOFs) have become a new generation of membrane materials with potential applications. The contents of the project mainly include:1) Synthesis and characterization of the non-defective MOFs membranes with different pore sizes; 2) The system studies the permeation behavior of the main ions in the radioactive waste liquid, explores the law between the permeation rate of ions with different hydration radii and the pore size of the MOF membranes, evaluates the separation effect, and proposes efficient separation schemes for different radionuclides. 3) In-depth study of the infiltration mechanism of radionuclides through MOFs membrane, in order to lay a theoretical foundation for optimizing the MOFs membranes structure and composition and its application in the treatment of radioactive waste liquid. It is expected that the precise separation of radioactive ions with different hydration radii could be achieved by MOFs membranes separation technology.

开发新颖的分离方法以获得快速、高效和绿色的放射性核素去污效果，对放射性废液减量化和预防放射性污染扩散具有重要的意义。膜分离技术可以克服传统水相处理方法中流程复杂和能耗高等问题，在放射化学分离中有较大的应用潜力。金属有机骨架(MOFs)具有结构多样、孔径可调以及拥有可化学修饰的孔道，突破了沸石分子筛孔道尺寸和化学组成的局限性，成为具有潜在应用价值的新一代膜材料。因此本项目主要研究内容包括：1)具有不同孔道的无缺陷MOFs膜的合成与表征；2)系统研究放射性废液中主要离子在其上的渗透行为，探索不同水合半径的离子的渗透速率与MOFs膜孔道大小之间的规律，评估分离效果，提出不同放射性核素高效分离方案；3)深入探究放射性核素在MOFs膜上的渗透机制，为优化MOFs膜的结构和组成及其在放射性废液处理应用奠定理论基础。有望通过MOFs膜分离技术实现对具有不同水合半径放射性离子的精准分离。

开发放射性废物处理新技术，获得快速、高效和绿色的放射性核素去污材料，深入阐明相应的去除机理，对放射性废物减量化和预防放射性污染扩散具有重要的意义。按照项目计划掌握了金属有机框架（MOF）材料与MOFs膜的合成与表征，成功搭建了膜过滤装置，为后续的探索膜过滤实验奠定了基础。在此青年基金项目的大力支持下，开展了功能化多孔框架材料的设计合成及环境放射性的污染控制研究，实现了对放射性惰性气体氪/氙/氡和高释热放射性锶的高效吸附和分离：通过理论计算筛选与实验相结合的方式，成功构筑了具有准开口的空腔孔结构的高效吸氡材料，解决了超低分压下氡捕获的热力学和动力学相互制约的权衡问题，提出了极低浓度放射性气体分离材料的设计准则，成功合成出性能超越商用活性炭的放射性氡吸附材料，具有重要应用前景；结合MOF材料的高表面积和孔隙率有助于吸附位点的可及性和核素通过骨架的扩散的优良特性与冠醚与锶的特异结合位点作为骨架组分结合在一起，构筑多孔冠醚功能化的微孔MOF吸附材料，在酸性条件下对锶表现出优异的吸附性能，可作为高效吸附材料去除乏燃料后处理废液中的放射性90Sr。项目负责人以一作/通讯作者在国际顶尖或主流期刊发表论文6篇，包括一篇J. Am. Chem. Soc.，一篇Angew. Chem. Int. Ed.，一篇Sep. Purif. Technol.，一篇CrystEngComm.，一篇Chem. Res. Chinese Universities和一篇J. Radioanal. Nucl. Chem.，并申请国家发明专利一项。