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。

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。

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。

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。

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。

对于未来先进核燃料循环系统, 基于熔盐电解的干法后处理技术是一种最具发展前景且可靠性好的后处理技术。对干法后处理各环节产生的含盐废物进行陶瓷固化处理, 使之以稳定的废物形式在地质处置库中长期处置, 是干法后处理最终实现工业化应用的重要保障。本文针对目前国际上主要的干法后处理废物陶瓷固化技术研究进展进行综述, 重点介绍熔盐电解还原和电解精炼过程产生的含盐废物陶瓷固化技术的研究进展。

随着人类现代化进程的加快和社会经济的飞速发展, 传统能源消耗不断加快, 气候变化问题日益凸显。现代工业特别是化学工业的发展在给人们带来便利的同时, 也给与人类生活息息相关的生态环境带来了前所未有的改变, 导致环境问题成为当今世界面临的巨大挑战。为了更好地应对挑战, 保护我们赖以生存的家园, 广大科研工作者不断寻求和探索绿色环保并能高效利用的新材料与新技术, 着力解决日益严峻的环境污染问题。在这种形势下, 新型环境材料与技术受到了广泛重视并得到迅猛发展。

环境材料, 顾名思义, 是针对环境问题而设计发展的材料。环境问题的核心是环境污染, 当前人们密切关注的环境污染物包括气体污染物、持久性有机污染物和重金属污染物等。近年来随着核工业的崛起和发展, 放射性污染物也日益受到重视。通过不同手段对环境中的这些污染物进行分离去除是环境污染治理的主要方法。在过去几十年间, 研究人员不断开发出去除特定污染物的新材料。这些材料种类繁多, 结构多样, 性能各异。研究较多的包括传统的分子筛^[1], 矿物材料^[2], 以石墨烯、碳纳米管为代表的碳材料^[3], 树脂等高分子材料^[4], 以及近年来颇受学者重视的金属有机框架材料(MOFs)^[5]和共价有机框架材料(COFs)等^[6]。在这些材料当中, 无机材料以其稳定性好、廉价易得和对环境友好等特点, 在环境污染物的去除分离领域具有广阔的应用前景, 尤其是无机纳米多孔材料近年来备受青睐。纳米尺寸使得材料不仅具有量子尺寸效应, 而且比其它普通材料具有更大的比表面和较多的表面原子, 表现出吸附能力强、在水中分散性好等不同于一般材料的独特性质。多孔性在大幅度提高材料的比表面积、增加材料与污染物接触面的同时, 还可加快污染物在材料内部的扩散和传输, 使得这类材料在吸附应用中更具潜力和优势。金属纳米材料、金属氧化物纳米材料、矿物材料等都是无机纳米材料家族的典型代表。

从已有文献来看, 提高污染物去除的效率和选择性一直是无机环境材料领域的研究热点和努力方向。与有机材料相比, 无机材料虽然具有更高的稳定性, 但是通常对污染物去除效率偏低和选择性不佳, 这主要是因为无机材料表面缺少活性功能基团。为了克服这一缺点, 常规做法是对无机材料进行功能化修饰。将对目标污染物具有强结合能力的功能基团通过物理或化学手段修饰在材料表面^[7], 以提高其对污染物的去除能力。在提高选择性方面, 除了在材料表面修饰特异性识别基团^[8]外, 调节材料的孔道结构, 利用尺寸效应物理筛分污染物^[9]也是常用和有效方法。或者通过分子印迹、复合等手段将尺寸效应、键合作用以及静电作用等有机结合起来以提高对目标污染物的选择性^[10]。此外, 除了改善分离效率和选择性, 发展在高酸、高碱、高温等苛刻条件下应用的无机环境材料近年来也逐渐成为研究热点^[11]。

总而言之, 经过几十年的发展, 无机环境材料研究已经取得了显著进展, 但为了更好地解决日益严峻的环境问题, 仍然需要广大材料研究者们攻坚克难, 不懈努力。