同步辐射X射线谱学研究新颖阳离子骨架材料吸附放射性Se-79的机制

Se-79 is a long-lived radionuclide in spent nuclear fuel with a half-life of 0.327 million years, which is of great concern in environments. In addition, it exists in the form of selenite and selenate with good solubility in aqueous solution and is easy to migrate, diffuse, and intake by organisms, resulting in more radiation damage. Thus, it is highly desired to develop efficient methods to treat the radioactivie selenium. This project intends to design novel cationic extended frameworks (CEFs) for removing selenium pollutants from water environments based on screening the best known capturing materials. Then, the sorption behaviors of selenite/selenate and other coexisted anions onto CEFs materials will be investigated, including the effect of temperature, concentration, pH values, contact time and so on. It aims to establish the relationship of structure-properties and propose a reasonable solution for deeply removing radioactive selenium pollutants from water environments. On the basis of the X-ray absorption fine structure (XAFS) spectra of Shanghai Synchrotron Radiation Facility, the sorption mechanism of selenite/selenate onto CEFs materials will be demonstrated with the help of supplementary traditional spectroscopy and single crystal diffraction techniques, which is extremely beneficial for further designing better CEFs materials for selenium capturing.

Se-79是核能发电过程中产生的一种长寿命核素，其半衰期为30多万年，具有长期潜在的放射性危害，且主要以溶解性较好的硒酸根/亚硒酸根等阴离子形式存在，易于在生物圈迁移扩散和被生物体吸收富集，造成辐射损伤。为降低水体中放射性硒污染含量，消除对人体健康的安全风险，非常有必要开发有效的硒污染处理方法。本项目拟系统研究已知阳离子骨架材料对硒酸根/亚硒酸根的吸附分离能力，筛选出最佳的阳离子骨架材料，然后通过结构调控设计新颖的阳离子骨架材料；研究阳离子骨架材料对硒酸根/亚硒酸根及共存阴离子的吸附分离行为，明确温度、浓度、pH值和接触时间等变量对硒酸根/亚硒酸根分离的影响，建立构效关系，并提出从放射性废水中去除硒污染物的解决方案。基于上海同步辐射光源的X射线吸收精细结构谱(XAFS)，并结合传统光谱和单晶X射线单晶衍射等表征方法，从宏观和微观上揭示阳离子骨架材料吸附分离硒酸根/亚硒酸根的机制。

Se-79是核能发电过程中产生的一种长寿命放射性核素，也是水体污染中常见的污染物，其安全深度处理是核工业及环境工业中的重要问题。吸附分离是一种有效且经济的去除方法，寻找高效的吸附材料并深入阐释其吸附机制非常必要。.本项目第一部分通过对比筛选出一种具有Se阴离子物种去除潜力的阳离子二维层状铝氢氧化物（JU-111），初次系统测试其Se吸附分离能力，并结合多种常规谱学技术及同步辐射X射线吸收精细结构分析技术（XAFS）探究了其对硒酸根和亚硒酸根的吸附机制。主要结果如下：JU-111在3-11的pH范围内对Se具有较高的吸附容量（最大可达到298.2 mg SeO42-/g和306 mg SeO32-/g）、快速的吸附动力学和较高的pH变化适应能力；在低浓度条件下，JU-111具有较强的去除深度及抗杂阴离子干扰能力；大部分吸附的Se物种可使用简单的盐溶液解吸；JU-111对硒酸根和亚硒酸根的吸附过程包括离子交换和阴离子在材料表面的内层络合。.本项目第二部分探究了Fe-Ce双金属氢氧化物（ICA）对SeO32-的吸附分离性能，并结合XAFS及PDF分析解释了其吸附过程及机制。主要结果如下：ICA的吸附容量随pH的增大呈现下降趋势；在高酸度条件下，ICA具有较高的吸附容量（179 mg Se/g）及快速的动力学；低浓度及杂阴离子共存条件下ICA同样具有较高去除深度；ICA具有重复使用能力；ICA对SeO32-的吸附能力来自于高酸度时其表面呈现的正电荷，以及其表面功能基团与阴离子的交换产生的内层络合作用。.本项目第三部分设计了一种阳离子有机聚合物（SCU-CPN-1）用以去除放射废液中另一种共存的放射性阴离子99TcO4-，并探究了其吸附机理。主要结果如下：SCU-CPN-1具有较高的辐照稳定性；SCU-CPN-1在2-12的pH范围内对TcO4-具有超高的吸附容量（999±20 mg/g）、快速的动力学、较好的选择性及循环性能；EXAFS及DFT计算的机理解析表明SCU-CPN-1的识别位点为其上的阳离子咪唑官能团。通过对机制的充分揭示，为高效阳离子骨架材料的设计和筛选提供了更为具体的依据。