壳聚糖材料吸附放射性核素的特性及机理研究

With the rapid development of nuclear energy and the wide application of nuclear technology in the fields of military, industry and agriculture etc., the production amount of radioactive wastewater is increasing greatly. The economical, safe and effective treatment and disposal of radioactive wastewater is the pre-requirement for guaranteeing the nuclear safety. It has received increasing attention to use new adsorbing materials such as chitosan for developing radioactive wastewater treatment technology. The project will focus on the modification of chitosan, introducing the magnetic performance and different functional groups to enhance the adsorption capacity, selectivity and separation. The main contents include: (1) the modification and characterization of chitosan materials; (2) the kinetics, thermodynamics and isotherm of radionuclides (U, Cs, Sr and Co) adsorption onto the modified chitosan materials; (3) the interaction between modified chitosan materials and radionuclides as well as the reaction mechanism on the liquid-solid interface by comprehensive using different types of modern analytical methods, such as SEM, TEM, AFM, BET, XPS, EXAFS and so on. The project will provide theoretical based and technical support for develop novel technology for radioactive wastewater treatment using modified chitosan-based adsorbing materials.

我国核电工业的快速发展以及核技术在军事、工业、农业等领域的广泛应用，使放射性废水的产生量不断增加，经济、安全、高效地处理放射性废水，已成为保障我国核安全的重要前提。随着材料科学的进步，新型的吸附材料不断出现，利用壳聚糖材料处理放射性废水的研究近年来得到关注。本项目拟以壳聚糖材料为基础，在壳聚糖分子上引入磁性和多种官能团（如氨基、巯基和羧基等）或与其他高分子材料复合，制备一系列改性的新型壳聚糖吸附材料，提高材料的吸附容量、吸附选择性及分离性能。主要研究：（1）壳聚糖材料的改性及性能表征；（2）改性壳聚糖对放射性核素铀、铯、锶和钴的吸附动力学、热力学和吸附等温特性；（3）综合利用多种现代分析技术，如SEM、TEM、AFM、BET、XPS、EXAFS等，在微观尺度上探讨放射性核素在壳聚糖材料上的吸附过程以及固–液界面反应机制。为开发利用新型壳聚糖吸附处理放射性废水新方法提供理论依据和技术支持。

本研究以壳聚糖材料为基础吸附剂，利用物理手段，化学手段或辐射技术进行改性或修饰，制备了8种新型的壳聚糖改性材料，以提高对放射性核素的识别及去除能力。选择放射性废水中的主要核素，如90Sr、137Cs、60Co和U为代表，研究这8种吸附材料对主要核素的吸附特性，综合利用多种表征手段，结合高分子金属络合物形成理论和配位化学理论对吸附机理进行了探讨。主要取得以下成果：（1）制备8种新型的壳聚糖改性材料，包括物理手段制备的复合材料（如磁性壳聚糖，磁性氧化石墨烯（GO）/壳聚糖，磁性壳聚糖/聚乙烯醇（PVA），磁性壳聚糖固定化酿酒酵母），化学手段制备的衍生物材料（如偕胺肟改性壳聚糖，壳聚糖改性凝胶微球），辐射技术制备的改性材料（如顺丁烯酸辐照改性壳聚糖），以及溶液纺丝技术制备的纤维化壳聚糖基材料。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、X射线能谱（EDS）、磁滞回线等多种分析手段对这些吸附材料进行了表征。（2）研究了吸附时间、溶液初始pH值、初始核素浓度等因素对壳聚糖改性材料吸附90Sr、137Cs、60Co或U的影响，分析了吸附动力学和等温吸附过程。结果表明：壳聚糖改性材料吸附核素的动力学过程普遍符合拟二级反应动力学模型，等温吸附过程可由Langmuir、Freundlich等模型拟合。和未改性的壳聚糖相比，壳聚糖改性材料对主要核素的吸附容量均有所提高，吸附选择性的提升与材料表面的特异性官能团有关。（3）探讨了壳聚糖改性材料与核素的作用机理，探讨壳聚糖改性材料的结构与吸附性能之间的关系。吸附性能的提升不仅与吸附剂表面的特异性官能团的种类和数量有关，还有吸附剂比表面积有关。吸附反应进行的过程中，多种相互作用力同时进行，空间位阻效应、静电效应和化学反应效应在内的多种效应对壳聚糖改性材料吸附主要核素起作用。多种壳聚糖改性材料吸附核素的配位构图在本研究中尝试提出。.本项目执行期间，共发表SCI论文17篇，申请发明专利7项，培养博士研究生3名，硕士研究生2名，博士后1名。