金属硫化物基离子交换材料去除和回收放射性离子的研究

It is vitally important to efficiently remove and recover radioactive UO22+, Cs+ and Sr2+ ions for the sake of human health, environmental protection and energy recycling. Owing to the strong affinity of S2- anions for UO22+、Cs+、Sr2+ ions and the network flexiblity, the open-framework metal sulfide compounds are expected to be promising ion-exchange materials for the radioactive ions. In this project, the metal sulfides of inexpensive Sn4+, Cu+ and Fe2+ ions with two-dimensional layered or three-dimensional microporous framework structures will be sythesized via facile solvo/hydrothermal syntheses by ulitizing various organic cations or/and alkali metal ions as structural directing and charge-balancing agents. The ion-exchange properties of metal sulfide compounds for radioactive ions will be systematically studied including the ion-exchange capacity, kinetics, thermodynamics, selectivity for UO22+、Cs+、Sr2+, the acid and alkali resistance, thermal stability and irradiation resistance of materials. The cost-affordable and environmentally friendly elution methods will be developed for the regeneration and recycling of materials. Furthermore, the facile large-scale preparation methods will be developed for the inexpensive materials with superior ion-exchange properties, which will be composited with other materials for the use of ion-exchange chromatography column. This project is a further focus and improvement on the basis of the plentiful and excellent research outcomes of the current project undertaken by the applicant (2014~2017). The materials will have the potential applications in the fields of the dispose of radioactive nuclear wastes and the capture of uranium from sea and salt lake.

有效去除和回收放射性铀、铯和锶等离子对人类健康、环境保护和能源循环利用至关重要。鉴于S2-对UO22+、Cs+、Sr2+离子的亲和力和金属硫化物开放骨架的柔性，金属硫化物是一类颇具潜力的放射性离子交换材料。拟利用相对低成本的水（溶剂）热法，以有机胺阳离子或/和碱金属离子为结构诱导剂和电荷补充剂，制备以Sn、Cu、Fe等相对廉价金属构筑的具有层状或微孔结构的金属硫化物材料。研究材料对放射性离子的交换性能，包括吸附量、动力学、热力学、选择性，以及耐酸碱性、热稳定性、耐辐照性。研究操作便捷、环境友好的洗脱方法，考察材料的再生和循环利用。实现廉价易得、性能优良的金属硫化物离子交换材料的宏量制备，将之与其他材料复合制备离子交换剂，模拟离子交换层析柱实际应用。本项目是申请人2014—2017年面上项目丰硕研究成果基础上的进一步聚焦和提升。所获材料在核废液处理和海水/盐湖中富集铀方面具有潜在的应用价值。

核燃料循环过程中不可避免地产生放射性废物，在处理与处置放射性废物过程中，放射性核素常以阳、阴离子的形式存在，易迁移、转化，给环境带来潜在的放射性污染风险。针对从复杂环境体系中高效、高选择性富集和去除放射性核素这一放射化学领域的迫切需求，本项目采用水热/溶剂热法、固相合成法、插层后修饰等多种方法，以有机胺阳离子或碱金属离子作为电荷补充剂和模板剂，制备了一系列具有二维层状或三维微孔结构的耐酸碱、耐辐照金属硫化物离子交换材料，利用其框架上的S2-活性作用位点对Cs+、Sr2+、UO22+等离子的亲和力和金属硫化物阴离子开放骨架的柔性，模板离子的易于交换，实现了对铯、锶、铀等关键核素的有效捕获，表现为对Cs+、Sr2+、UO22+等离子具有高吸附量、快速离子交换能力、高选择性。研究了所得硫化物材料的再生、循环利用。筛选出性能优良的硫化物离子交换材料，将其与其他材料复合制备复合离子交换剂，开展了模拟离子交换柱分离应用基础研究。通过单晶结构分析手段深入揭示了硫化物捕获放射性离子的机理，探讨了结构与性能构效关系。所报道的高稳定层状硫化物InSnS-1在强酸性条件、大量干扰离子存在下可选择性捕获Cs+离子，并能作为离子交换柱固定相高效分离Cs+离子。通过单晶结构分析明确了H3O+、Cs+进入硫化物层间，清晰地揭示了离子交换机理。所报道的晶态硫代锑酸镓具有易合成、耐辐照、耐酸碱性等优点，对放射性UO22+、Cs+、Sr2+和稀土离子具有高吸附量和优异选择性。所报道的硫化物复合材料FJSM-SnS/PAN耐辐照、耐酸碱、再生能力强、机械强度高，可在离子交换柱分离实验中循环利用。研究为从放射性废液中有效捕获铯锶铀等关键核素奠定了研究基础，对于解决我国核工业发展所带来的环境污染问题具有重要意义。.项目执行期间，已发表SCI论文22篇，包括Nat. Commun. 1篇、J. Am. Chem. Soc. 1篇、Angew. Chem. Int. Ed. 1篇、JACS Au 1篇、Chem. Eng. J. 3篇、J. Mater. Chem. A 1篇、Chem. Mater. 1篇、ACS Appl. Mater. Interfaces 4篇、ACS ES&T Water 1篇等。授权国内发明专利1项，申请国内发明专利2项。参加国内会议13人次，发表会议论文11篇。