新型功能化介孔材料对核素的吸附与分离行为研究

核燃料后处理是核燃料循环的核心，对于核环境安全和核能的可持续发展意义重大。核燃料后处理的主要任务之一是核素分离，纳米材料在核素吸附、富集与分离方面有非常广阔的潜在应用前景，而纳米材料的功能化和选择性是其应用的关键。. 本项目拟利用从头算和密度泛函理论，在分子水平上设计有高度选择性的重金属离子配体，在此基础上利用助结构导向法合成新型功能化有序介孔氧化硅材料。然后，结合理论计算、同步辐射技术以及其它相关技术研究有机功能化的介孔氧化硅材料对部分锕系元素与镧系裂变产物元素如：Th(Ⅳ)、U(Ⅵ)、 Pu(Ⅳ)、Am(Ⅲ)、Eu(Ⅲ)等不同核素的吸附行为与机理，研究溶液酸度、离子强度、介孔孔径以及不同有机取代基对吸附富集行为的影响与作用机制，研究有机功能化介孔氧化硅材料对核素吸附的选择性与分离作用，在此基础上提出概念分离流程，为介孔氧化硅材料在核燃料后处理中的实际应用提供可靠的理论与实验依据。

核素分离是核燃料后处理的主要和关键任务之一，对于核环境安全和核能的可持续发展意义重大。介孔材料在核素的吸附、富集与分离方面有着非常广阔的潜在应用前景，而介孔材料的功能化设计及对核素的高效高选择性吸附是其应用前的研究重点。本项目利用从头算和密度泛函理论，通过在分子水平上研究核素与常见有机配体之间的相互作用机制，成功构建了一系列具有锕系阳离子识别能力的有机配体。在此基础上，利用助结构导向法和后嫁接法将所设计的锕系阳离子识别配体的关键片段或类似物修饰到介孔氧化硅材料表面，制备出一系列结构规则有序，比表面积大，孔径分布均一，对锕系阳离子具有良好吸附效果的新型功能化介孔硅基材料，包括共缩聚法合成的磷酸酯基修饰的MCM-41（NP10）、磷酸酯和氨基双官能团修饰的MCM-41（PAMS）、后接法合成的二氢咪唑基修饰的SBA-15（DIMS）及后接法氨基修饰的SBA-15（APSS）。采用静态批式方法研究了常规条件下NP10，PAMS，DIMS，PASS四种材料对U(VI)和Th(IV)等的吸附行为。实验结果表明，这几种材料对U(VI)、Th(IV)的吸附容量大，吸附速度快，吸附效率高，选择性好，同时，吸附后的U(VI)和Th(IV)经过简单酸处理即能从吸附剂上脱附，并且经过吸附脱附后的吸附剂对U(VI)和Th(IV)的吸附效率保持稳定，因此可循环使用。本研究工作充分显示了功能性介孔硅基材料在吸附分离锕系阳离子方面的巨大潜力，为基于介孔材料的乏燃料后处理方法的建立提供了必要的基础数据支撑。