新型温敏性冠醚复合水凝胶的合成及对Sr2+、Cs+的分离研究

实现放射性废液中锶（Sr）和铯（Cs）的分离是先进核燃料循环战略的要求，对放射性废物减容以及缩短其浅地层处置时间具有重要意义。利用聚合物水凝胶材料实现Sr2+、Cs+分离是一个有重要应用前景的研究方向，但目前报道的凝胶体系不具备选择性，且没有解吸附能力，易导致放射性积累而形成难处理二次污染物。本项目拟将分别能选择性络合Sr2+、Cs+离子的冠醚、杯芳烃冠醚萃取剂经化学修饰后，以共价键接的方式固定于聚异丙基丙烯酰胺水凝胶基体上，首次制备用于溶液中Sr2+、Cs+离子选择性分离的新型水凝胶材料，并基于其温度敏感性实现对相应离子的解吸附功能。通过系统实验优化所合成凝胶材料的组成以及溶胀性、温度敏感性，研究其在不同温度、不同HNO3浓度溶液中对Sr2+、Cs+离子的分离与解吸附性能，探索凝胶组成、结构、温敏性与离子选择性及解吸附行为的关系，为得到有实际应用前景的水凝胶材料奠定基础。

锶-90（90Sr）和铯-137（137Cs）是放射性废液中广泛存在的两种典型裂片元素，严重威胁着环境安全和人类健康。由于放射性废液组成复杂，盐分高，如何从中选择性地分离出锶-90和铯-137存在很大的挑战。冠醚、杯芳烃冠醚等一类大环化合物因其对碱金属、碱土金属特殊的配位络合能力，在放射性核素分离领域备受关注。然而，现有基于冠醚、杯芳烃冠醚构建的锶-90和铯-137分离材料研究存在两方面问题。首先，冠醚、杯芳烃冠醚等配体均是通过物理浸渍、包络等方式附着于基体材料，在吸附分离过程中，容易发生配体分子的流失，材料稳定性和重复使用性不佳；其次，放射性元素在分离材料上的积累会形成难处理的二次污染物，而目前有关解吸附机制的研究尚比较缺乏。. 针对上述问题，本项目将分别能选择性络合Sr2+、Cs+的冠醚、杯芳烃冠醚分子经化学修饰后，以共价键形式引入聚异丙基丙烯酰胺水凝胶网络中，首次制备出了用于溶液中Sr2+、Cs+选择性分离的新型水凝胶材料，并基于凝胶网络的温度敏感性，利用温度诱发的相变方便地实现了对相应离子的解吸附功能。后者的意义在于一方面可以实现材料的再生利用，避免因放射性核素积累形成二次废物；另一方面减少洗脱液的使用，减少放射性废液的生成，降低最终放射性固化废物的体积。. 项目的主要研究结果可归纳为下述几个方面：1）设计并合成出两类含有可聚合官能团的、对Sr2+、Cs+具有选择性的冠醚、杯芳烃冠醚络合剂；2）制备出两类新型的冠醚和杯芳烃冠醚复合的温敏型水凝胶材料，并对材料的结构、组成、形貌、温度响应性等进行了系统表征；3）系统研究了冠醚复合水凝胶材料对Sr2+的吸附分离行为；4）考察了杯芳烃冠醚复合水凝胶材料对Cs+的选择性吸附能力以及温度诱发解吸附行为；5）优化筛选出对Sr2+，Cs+分离性能较好的水凝胶体系，为得到有实际应用前景的水凝胶体系提供了依据。. 依托于本项目支持，在完成本项目研究任务的同时，对于新型有机功能化吸附材料（如有序介孔硅基材料、核-壳结构的超顺磁纳米材料）以及吸附过程一些基础问题包括吸附机理等也进行初步研究。本项目为推进后续放射性裂片元素Sr2+、Cs+分离材料以及其他新型吸附材料的研究奠定了良好的基础。本项目研究成果已有15篇论文发表在国际SCI收录期刊上，申请并获得授权专利6项。