随着核电的发展, 放射性污染物流入环境, 污染水土资源。纳米零价铁(nZVI)材料因还原性强、去除效率高等优势, 被广泛应用于水资源污染修复。本研究以海藻酸钠(SA)为碳源, 采用一步碳热还原法制备碳载零价铁(Fe-CB)材料, 并将其用于水溶液中放射性核素U(Ⅵ)的去除。采用微观光谱和宏观实验研究Fe-CB对U(Ⅵ)的吸附性能和作用机理。研究发现Fe-CB具有丰富的官能团(如-OH和-COOH)及较高的比表面积, 弥补了纳米零价铁(nZVI)分散性差和去除效果低的不足。在298 K时, Fe-CB对U(Ⅵ)的吸附去除在3 h内达到平衡, 最大吸附量为77.3 mg·g ^-1, 是能够自发进行的化学吸附。X射线光电子能谱分析仪(XPS)分析发现Fe-CB对U(Ⅵ)的去除主要是通过吸附和还原的协同作用来实现的, 吸附过程是U(Ⅵ)与Fe-CB发生表面络合, 还原过程是通过零价铁的还原性将U(Ⅵ)还原成U(Ⅳ)。研究结果表明Fe-CB材料可作为优良的吸附剂, 在环境污染治理领域具有良好的应用前景。

将易溶的U(VI)还原为微溶的U(IV)是治理放射性铀污染的有效方法。本研究以SiO₂纳米球作为硬模板, 通过热聚合-刻蚀制备具有连续贯通的三维大孔g-C₃N₄光催化剂, 用于吸附-光催化还原U(VI)。材料表征结果显示: 三维大孔g-C₃N₄比表面积显著增加, 对可见光的吸收明显增强; 同时具有三维有序大孔结构, 并呈规则的紧密堆积结构, 孔壁完整多孔, 整个结构具有良好的三维连通性。吸附实验表明: 三维大孔g-C₃N₄对U(VI)最大吸附容量可达~30.5 mg/g, 该过程更符合Langmuir吸附模型, 与块体g-C₃N₄相比吸附容量提高了~1.83倍。光催化还原实验表明: 三维大孔g-C₃N₄具有高的光催化活性和良好的稳定性, 其还原反应速率常数为~0.0142 min ^-1, 是块体g-C₃N₄ (~0.0024 min ^-1)的~5.9倍。鉴于三维大孔g-C₃N₄具有较优异的吸附-催化还原性能, 该材料有望应用于放射性废水中U(VI)的快速高效清除。

纳米零价铁材料(NZVI)被广泛用于环境中放射性核素U(VI)的去除, 但是单纯的NZVI存在稳定性差、去除效果差等不足。本研究结合表面钝化技术与负载技术制备得到Ca-Mg-Al水滑石负载的硫化纳米零价铁材料(CMAL-SNZVI), 并将其用于U(VI)的高效去除。结合宏观试验与光谱分析表征得到的结果表明, CMAL-SNZVI材料具有出色的理化性质与较高的活性, 对水溶液中U(VI)的去除具有优良的效果, 在2 h内可以达到反应平衡, 且最大吸附量可达175.7 mg·g ^-1。CMAL-SNZVI对U(VI)的去除主要是由吸附过程与氧化还原反应相结合的方式: 吸附过程中U(VI)与材料中的CMAL基底、SNZVI的表层通过内层表面络合作用结合; 还原过程中材料的NZVI内核将U(VI)还原成低毒难溶的U(IV)后去除。CMAL-SNZVI可为NZVI材料的改性方法提供新的研究方向, 同时, CMAL-SNZVI在污染物去除方面表现优异, 可以作为出色的环境修复材料。

¹³⁷Cs主要来源于核武器试验和核电站产生的放射性废物, 具有高溶解度和高迁移率的特点, 因此从放射性废液中有效去除 ¹³⁷Cs是一项长期的挑战。本研究通过溶剂热法合成了一种二维层状阴离子骨架材料SZ-6, 并对其吸附性能进行了系统的研究。利用单晶衍射仪、X射线衍射仪和扫描电子显微镜等对SZ-6的结构、形貌和稳定性进行了表征与测试。采用批实验研究了水溶液中Cs ⁺的吸附行为。结果表明: 在浓度为10 mg/L的Cs ⁺溶液中, SZ-6的吸附动力学可在5 min内达到平衡, 是目前去除Cs ⁺最快的吸附剂材料之一; SZ-6在pH4~12范围内表现出良好的去除能力; 在过量Na ⁺、K ⁺、Ca ²⁺竞争阳离子存在的情况下仍具有较好的选择性。

为探究不同N源对无定形TiO₂/g-C₃N₄(TCN)复合材料光催化还原Re(VII)的影响, 通过热分解不同前驱体(尿素Urea、硫脲Thiourea和三聚氰胺Melamine)制备g-C₃N₄, 再分别与无定形TiO₂复合, 制备了三种TCN复合光催化剂。通过不同分析手段对材料进行表征, 并比较了不同TCN复合材料光催化还原去除Re(VII)的活性差异。结果表明, U-TCN(尿素为N源)具有更均匀的表观形貌, 最大的比表面积(474 m²/g), 最优异的光吸收性能, 对Re(VII)的光催化还原效率(90%)明显高于T-TCN(20%)和M-TCN(15%)。通过复合材料的瞬态光电流和电化学阻抗(EIS)分析光催化机理, 证明U-TCN光生电子空穴分离效率最高; 电子顺磁共振波谱(EPR)分析表明U-TCN产生的羟基自由基(?OH)更多, 因此与甲酸反应产生的强还原性?CO₂^-自由基更多, 从而更有利于Re(VII)的还原; 利用同步辐射X射线吸收光谱分析Ti元素价态及配位环境, 表明U-TCN还具有优异的光化学稳定性。本研究揭示了不同N源对所制备TCN复合材料光催化性能的影响, 并发现了一种可用于实际废水中光催化还原去除Tc(VII)的优选材料。

水热碳吸附材料具有制备工艺简单、合成条件温和、表面易改性等优点。本研究以可溶性淀粉为碳源, 在硝酸铈铵催化作用下, 将丙烯腈开环接枝到淀粉分子上, 通过水热反应和盐酸羟胺还原制备偕胺肟化水热碳(AO-HTC)。结合静态和动态吸附实验, 重点研究了溶液pH、碳酸根和钙离子浓度对AO-HTC吸附铀性能的影响, 通过Thomas和Yoon-Nelson模型探究AO-HTC吸附铀的动态过程。结果表明: 随着pH、碳酸根浓度和钙浓度的增加, AO-HTC吸附铀的容量逐渐降低; 掺杂5wt%AO-HTC土壤柱的穿透点和饱和点体积也随之减小。与纯土壤柱相比, 掺杂5wt%AO-HTC土壤柱的最大吸附容量(q_o)和吸附质穿透50%所需的时间(τ)增大了数倍。由此可见, AO-HTC是一种性能优异的可渗透性反应墙(PRB)介质, 有望用于修复铀污染土壤和地下水。

放射性碘是核裂变必然产物。为解决现有铜基吸附剂的吸附容量低、铜利用率低、易脱附等不足, 基于凹凸棒石的廉价易得、可交换阳离子富足和层间结构等特性, 采用浸渍-还原法将单质Cu负载于凹凸棒石结构中, 制备得到Cu/凹凸棒石复合材料, 对样品进行表征并考察样品对液相碘离子的吸附性能。研究结果表明, 实验制备的Cu/凹凸棒石复合材料约有7.5%掺杂量的纳米铜颗粒负载于凹凸棒石层间结构中。与传统铜基吸附剂相比, 该材料具有高达116.1 mg/g的碘离子吸附量以及72%铜利用率; 并且可在中性、弱酸性以及SO₄^2-、NO₃^-、Na⁺、Mg⁺等干扰离子共存的环境下使用。此外, 得益于铜负载凹凸棒石结构内, 该复合材料展现出较强的抗氧化性能, 且吸附后产物也具有较强的稳定性。

为了完善Ti₂AlC涂层在事故容错燃料中的设计与应用, 研究了近化学计量比和Al含量不足的Ti₂AlC在1000~1200 ℃ Ar-41% H₂O气氛中的氧化行为。研究结果表明: 随着Al含量的减少, Ti₂AlC在高温水蒸气中的氧化动力学由抛物线规律向线性规律转变; 当Al含量不足时, 连续氧化铝层的生长受到限制, 形成了不具备保护性的TiO₂基氧化层; 近化学计量比的Ti₂AlC表面可生成较薄的连续致密Al₂O₃层, 防止水蒸气向基体内的扩散。因此, 采用近化学计量比的Ti₂AlC作为锆合金表面的防护涂层时, 能够在高温水蒸气的环境下保护包壳, 提升现有轻水反应堆事故容错的能力。