锆基耐酸配位聚合物的分子设计及其对锶铯的吸附性能研究

The removal of Sr and Cs from radioactive waste liquid is one of the key issues closely related to the sustainable development of nuclear power. The development of adsorption materials for Sr and Cs adsorption has always been a hot topic in the field of nuclear industry. As a future star of porous materials, porous coordination polymer shows attractive prospect for the removal of radionuclides. However, the poor resistance to acid and salt in industrially aqueous system is the main bottleneck that limits the application of the porous materials in the treatment of radioactive liquid waste. This project aims to synthesize novel Zr-based acid-resistant coordination polymer and employs it for effective removal of Sr and Cs from radioactive liquid waste. By designing of the aperture and the functional group at the molecular level, it is expected to obtain high performance coordination polymers which show good selectivity to Sr and Cs. The reaction mechanism between Sr, Cs and the adsorbent will be clarified. The structure-activity relationship will be revealed. The implementation of this project will provide a new thought for removing Sr and Cs from waste liquid, and also provide theoretical basis for the application the new coordination polymer materials in the field of nuclear industry.

放射性废液中锶、铯的去除是关系到核能可持续发展的关键问题之一，对锶铯吸附材料的研究一直是核工业领域关注的重点课题。被誉为多孔材料未来之星的多孔配位聚合物在放射性核素吸附领域显示出诱人前景，但目前此类材料在工业水体系中的耐酸耐盐性不佳，成为限制该材料在放射性废液处理领域应用的主要瓶颈。本项目以设计合成新型锆基耐酸配位聚合物为目标，以其对放射性废液中锶铯的有效分离为目的，通过在分子层次上进行孔径和官能团设计，获得对溶液中锶铯具有高选择性吸附的性能良好的配位聚合物。阐明锶铯与吸附材料的作用机制，揭示材料结构和吸附性能之间的构效关系。为放射性废液中锶铯的有效去除提供新的思路，同时为开拓新型配位聚合物材料在核工业领域的应用提供理论依据。

90Sr和137Cs是高放废液中半衰期较长的高释热核素，它们的存在加大了放射性废液处理的难度。将90Sr和137Cs从高放废液中分离出来可以减少最终固化体的体积。另一方面，在环境化学中90Sr 和137Cs的化学行为分别与钙和钾类似，容易通过饮食进入人体，因此除放射性废液中的90Sr和137Cs是关系到核能可持续发展的重要课题之一。配位聚合物（MOFs）具有孔道结构，且被吸附的客体能够到达网络结构内部的吸附位点，使得配位聚合物在金属离子吸附方面更具优势。但很多配位聚合物在水溶液中不能保持长久稳定性，因此，设计合成具有耐酸稳定性以及性能优异的新型配位聚合物材料，是将其应用于放射性废液处理的关键。本研究制备了一系列具有良好耐酸稳定性的锆基配位聚合物材料，利用冠醚对锆基MOFs材料进行了改性修饰、获得了一系列功能化MOFs吸附材料，对材料进行了表征，详细研究了材料对锶和铯离子的吸附性能和吸附影响因素，揭示了吸附机理，获得了一些对放射性废液中锶铯离子具有较高吸附容量和高选择性吸附的耐酸功能化MOFs材料。在此基础上，为了改善材料的固液分离性能以及进一步进行比较研究，本研究建立了锆基MOFs材料的碳布负载方法以提高材料的固液分离效果，建立了铬基MOFs材料和钛基纳米纤维的功能化修饰方法，并研究了其对锶铯的吸附性能。研究发现，功能化锆基MOFs材料在耐酸碱稳定性和耐辐照稳定性方面更好，铬基MOFs次之，钛基纳米纤维的耐酸碱稳定性稍差，但几种材料经功能化修饰以后，吸附选择性均有明显提高，冠醚功能化的钛基纳米纤维在硝酸介质中吸附金属离子会导致其层状结构的变化。化学动力学和热力学研究表明，大多数吸附过程符合二级动力学方程和Langmuir等温式，吸附以单层吸附和化学吸附为主，随着温度升高，吸附性能稍有提高。材料具备吸附位点多，可再生利用等优点。