纳米零价铁材料对放射性核素的去除及机理研究进展

随着人类社会的发展，放射性铀矿的开采和使用越来越多，环境面临着越来越严重的放射性污染问题。从生物和环境的角度来看，有效地清除环境中的放射性核素是核能利用过程中最重要的问题之一。纳米零价铁（nanoscale zero valent iron, nZVI）具有较大的比表面积和较高的活性位点，能显著提高放射性污染物的修复效率。本综述的目的是展示nZVI基材料对放射性核素的高效去除能力和环境修复作用。简介了常用的nZVI基材料（表面改性或多孔材料支撑的nZVI材料）及其对放射性核素的去除效果和相互作用机制（如吸附和氧化还原）。最后，对nZVI材料的应用和挑战给出个人见解。本综述有助于为高效去除放射性核素的nZVI材料的设计指明方向，为放射性核素的高效处理处置提供新材料。     

纳米零价铁去除溶液中U(Ⅵ)的研究

采用KBH4还原Fe3+制备纳米级零价铁,去除溶液中以铀酰离子形式(UO22+)存在的六价铀[U(Ⅵ)],考察纳米零价铁(NZVI)投加量、溶液pH值、U(Ⅵ)初始质量浓度以及时间等因素对铀去除效果的影响。实验结果表明:NZVI对U(Ⅵ)有很好的去除效果,当溶液pH=5.5、投加量为1.0 g/L、U(Ⅵ)初始质量浓度为45 mg/L、吸附时间为2.5 h时,对U(Ⅵ)的去除率为98.98%,吸附量为27.22 mg.g-1。     

零价铁去除U(Ⅵ)的作用机理及其影响因素

在核废料处理中,如何将毒性大、易迁移的放射性核素U(Ⅵ)转化为毒性小、难迁移的U(Ⅳ)是非常关键的处理步骤。零价铁还原技术由于其价格廉价、环境友好、工艺简单等优点,在放射性核素U(Ⅵ)的还原处理方面也显示了较好的应用前景。本文详细地论述了零价铁去除U(Ⅵ)的3种界面化学作用机理：还原沉淀机理、吸附机理、共沉淀机理;还就各种水化学因素：氧化还原条件、介质pH、共存离子、天然有机质及微生物等对反应作用机理的影响进行了较为深入的讨论;并对如何有效、深入开展零价铁去除U(Ⅵ)的今后研究方向进行了展望。     

纳米零价铁去除溶液中U(Ⅵ)的还原动力学研究

采用液相还原法制备纳米零价铁（nZVI）,用来去除溶液中的U(Ⅵ),讨论了溶液pH值、nZVI质量浓度、接触反应时间和温度对去除效果的影响,并从nZVI对U(Ⅵ)的还原角度探讨了还原动力学规律。研究结果表明：nZVI对溶液中的U(Ⅵ)有很好的去除效果,其去除过程包括还原沉淀和吸附,其中还原过程符合准一级还原动力学模型;溶液pH值对去除效果有明显的影响,在溶液pH值为5.0时,去除率达到最大值96.27%。温度对去除效果有一定的影响,表观速率常数k_obs随反应温度的升高而增大,还原速率与反应温度的关系符合Arrhenius定律,反应活化能E_a为16.54 kJ/mol,低于一般化学反应的活化能（60～250 kJ/mol）,表明该反应较易进行。     

包覆型纳米零价铁去除溶液中Pb(Ⅱ)-210的研究

用羧甲基纤维素(CMC)包覆的纳米零价铁(NZVI)来去除溶液中的210Pb(II)。考察溶液的pH值、包覆型纳米零价铁投加浓度、210Pb(II)初始放射性活度以及反应时间等因素对包覆型NZVI/CMC去除溶液中210Pb(II)效果的影响。通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对反应前后包覆型NZVI/CMC进行了表征分析。结果表明,当pH值为5.5,包覆型NZVI/CMC投加浓度为0.8 g·L-1,210Pb(II)初始放射性活度为2.354×103 Bq·L-1,反应60 min后210Pb(II)去除率达到99.25%。反应前后包覆型NZVI/CMC的形态发生了较大的改变,其链球状的网状结构变为片状结构。包覆型NZVI/CMC对210Pb(II)仍有较好的去除效果。     

离子强度、温度和pH值对纳米零价铁富集溶液中Th(Ⅳ)的影响

采用液相还原法制备了纳米零价铁(n ZVI),并将其用于富集溶液中的Th(Ⅳ)。探讨了溶液pH值、离子强度、反应时间、温度及固液比对nZVI富集Th(Ⅳ)的影响。结果表明:nZVI对溶液中的Th(Ⅳ)有很好的富集效果,富集过程受溶液pH值和离子强度的强烈影响,pH≤4.5时分配系数随pH值的增大而显著增大,随离子强度的增加而减小,pH4.5以后,保持较高水平而不再随pH值和离子强度的增加而变化。分配系数随温度的升高而增大,说明升温有利于反应的进行。     

硫酸盐还原菌和零价铁协同处理含铀废水

含铀废水的处理和利用微生物治理矿山废水的研究已受到环境工作者的高度重视.本工作通过柱实验研究了硫酸盐还原菌(SRB)和零价铁(ZVI)协同去除废水铀和硫酸盐等污染物的潜力.SRB+ZVI可有效去除铀矿山废水中的污染物U(Ⅵ)和SO2-4,U(Ⅵ)的去除率可达99.4%,硫酸根去除率为86.2%,废水的pH可达近中性.U(Ⅵ)和硫酸根均作为硫酸盐还原菌的电子受体而通过生物还原去除.ZVI的腐蚀有利于提高废水pH和形成厌氧还原性环境,加强了SRB的生存和代谢反应,从而对SRB去除废水中U(Ⅵ)和SO2-4起到协同增强作用.     

钠基膨润土负载零价锌去除水溶液中U(Ⅵ)的效果及机理

制备了零价锌(ZVZ)、钠基膨润土(Na-bent)负载的零价锌(ZVZ/Na-bent)和AlCl3柱撑改性钠基膨润土负载的零价锌(ZVZ/Al/Na-bent),并研究了ZVZ、ZVZ/Na-bent、ZVZ/Al/Na-bent和Na-bent对水溶液中U(Ⅵ)的吸附效果。采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)对四种吸附剂吸附U(Ⅵ)前后进行了表征,研究了四种吸附剂吸附U(Ⅵ)的机理。结果表明:ZVZ呈片状堆叠结构,掺杂膨润土后能明显消除ZVZ堆叠现象。ZVZ/Na-bent和ZVZ/Al/Na-bent对铀的最大吸附量约为250mg/g,ZVZ的最大吸附量能达到505mg/g。采用Langmuir和Freundlich模型分析发现,U(Ⅵ)在四种吸附剂上的吸附行为符合Langmuir模型,热力学研究发现吸附过程的ΔS、ΔH为正值,ΔG0。U(Ⅵ)的去除机理主要为化学还原、水解沉淀和离子交换。     

微生物还原放射性核素研究进展

微生物还原放射性核素的研究近年来得到了较为广泛的关注,因为这种生物转化作用将在修复受放射性核素污染环境方面发挥重要作用.本文重点介绍了利用微生物还原作用治理放射性核素污染方面的最新研究进展,主要包括U(Ⅵ)、Np(Ⅴ)和Tc(Ⅶ)的微生物还原;讨论了微生物还原放射性核素的可能作用机理;评价了这种生物转化作用对环境的影响以及在受污染环境的生物修复中的可能应用.     

用于放射性核素吸附分离的有机多孔材料研究进展

在核能的开发利用过程中会不可避免地向环境系统释放放射性核素,对核能发展及环境安全造成压力。放射性污染介质的净化修复是核环境安全和核能可持续发展所关注的重要方面,也是人与自然和谐共生的重要前提。近年来,有机多孔材料由于稳定性好、比表面积大、易于进行结构调控和功能化等优点,作为一类新型吸附材料在环境放射性污染治理领域展现出巨大的潜能。本文介绍近年来有机多孔材料在放射性核素分离领域的研究进展,并从计算机辅助设计和实际应用两方面,讨论有机多孔材料在放射性核素吸附分离方面的机遇与挑战,以期为我国开发高效的放射性污染控制方法和工艺提供参考。     

氧化石墨烯材料对水溶液中放射性元素的吸附去除研究进展

作为一种高效的新型吸附材料，氧化石墨烯由于具有巨大的比表面积和丰富的含氧官能团等特性，在放射性元素的吸附去除中展现出巨大的应用潜力。本文主要介绍了氧化石墨烯及其复合材料的结构性质与制备方法，并对其在水溶液中吸附去除放射性元素铀、钍、铕的研究进行了综述，通过表面改性或与其它功能性材料复合可显著提高对放射性元素的吸附去除性能，并对吸附机理进行了总结，最后展望了今后的研究方向并提出了建议。     

HTR-10一回路放射性核素在石墨上的吸附及其微观机理研究

通过巨正则系综方法与第一性原理计算,研究了100～900 ℃下,¹³⁴Cs、¹³⁷Cs、⁹⁰Sr、¹¹⁰Ag^m、¹³¹I 5种重要核素在石墨上的吸附率随温度、压强等参数的变化,并根据工程实际参数,推算他们在HTR-10一回路中反射层、石墨碳砖以及石墨粉尘上的吸附量。研究表明,Cs和Sr倾向于吸附在石墨的H位,而Ag和I倾向于吸附在石墨的T位,且他们的吸附能也有所差异。此外,核素粒子数密度与吸附率呈线性关系,而温度与吸附率呈指数关系。最后,通过研究5种核素在HTR-10一回路中的吸附情况,发现其中的放射性主要来自于核素¹³⁴Cs、¹³⁷Cs和¹³¹I,而⁹⁰Sr和¹¹⁰Ag^m的贡献较少,这与唯象模型的保守估计结论一致。     

放射性核素在天然黏土和人工纳米材料上的吸附机理研究

核能的利用过程中产生的放射性核素不可避免的释放到环境中,给环境污染和人类健康带来重大危害。本文简单综述了近年来我国关于放射性核素在环境天然黏土材料和人工纳米材料上的吸附以及不同表征方法如X-射线吸收精细结构光谱(X-ray absorption fine structure spectroscopy,XAFS)、荧光时间衰减光谱(time resolved laser fluorescence spectroscopy,TRLFS)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectric spectroscopy,XPS),并结合表面络合模型和理论计算化学,研究和分析放射性核素在固体界面相互作用机理国内研究进展。通过本文综述,可以为我国开展放射性核素在环境中的化学行为研究提供一些参考。     

压水堆核电站铁水反应机理研究

从微观上研究压水堆核电站严重事故下减少或控制氢气生成的措施需研究氢气生成的微观机理。本工作采用量子化学理论,应用量子化学软件包Gaussian03,在B3LYP/6-311+G(d)理论模型上研究了压水堆严重事故下铁水反应的微观机理,并计算了活化能。结果表明,铁水反应是由两个基元反应组成的总包反应。第2步基元反应的正反应活化能较大,是铁水反应的速控步。在微观上研究减少或控制氢气生成的措施应从第2步基元反应入手。     

Pu-H2相互作用的反应机理及电子密度分析

通过量子力学中密度泛函理论的相关方法和相对论有效原子实模型(RECP),应用Gaussian09程序对钚与氢气的相互作用进行了计算和分析。计算得到了钚与氢气的详细微观反应机理：Pu+H2→FC→TS→PuH2,优化了沿反应路径的特殊结构（能量极小点及过渡态）,并通过能量分析画出了势能剖面图。基于优化的几何结构,通过多种拓扑分析方法分析了反应路径中所有特殊结构的电子密度相关性质,如自旋密度分析、Mulliken自旋布居分析、电子定域泛函理论分析,得到了电子密度在反应过程中的详细变化。     

Migration Behavior of Radionuclides (60Co, 85Sr and 137Cs) in Aquifer

The migration behavior of radionuclides (⁶⁰Co, ⁸⁵Sr and ¹³⁷Cs) in aquifer has been studied under a steady flow of water by using aquifer model apparatus.

In the portion of high concentration (≧ 10^?3 μCi/g), water flow has slight influence on migration of these radionuclides. On the other hand, in the portion of low concentration (10^?4 μCi/g), ⁶⁰Co and ¹³⁷Cs are particularly influenced by the flow, but the migration of ⁸⁵Sr is relatively small. Such phenomena support that the migration of ⁸⁵Sr is subject to the ion exchange reaction, and the migration of ⁶⁰Co and ¹³⁷Cs may be due to both ion exchange reaction and particulate moving mechanism.

The concentration distribution observed is compared with that of the calculation by predicting equation based on ion exchange reaction. In the distribution of high concentration portion, the observed on each radionuclide is almost same as to the calculated, but in the distribution of low concentration portion, both observed on ⁶⁰Co and ¹³⁷Cs are very different from the calculated. Since migration behavior of ⁶⁰Co and ¹³⁷Cs cannot be described by predicting equation only based on ion exchange reaction, it is, therefore, necessary to predict those migration by the equation consisting of ion exchange reaction and particulate moving mechanism.     

乌鲁木齐市常用建筑材料天然放射性水平及其辐射风险

为了解乌鲁木齐市常用建筑材料中天然放射性水平及其对居民的辐射风险,采用NaI(TI)低本底多道γ能谱仪对该市常用建筑主体材料中天然放射性核素226Ra、40K和232Th的比活度进行了测定,并根据相关标准进行评价.结果表明,乌鲁木齐市常用建筑主体材料中226Ra、40K和232Th的比活度分别为22.4～66.6、309.7 ～ 860.4和12.7～44.5 Bq/kg,其内、外照射指数分别为0.11～0.33和0.21～0.51.所调查材料用于房屋建筑时,对居民构成的年有效剂量(0.27～0.85 mSv/y)小于欧盟委员会所提出的最大限值(1 mSv/y).此次调查的乌鲁木齐市建筑主体材料的产销与使用范围不受限制.     

Sorptive Removal of Cesium-137 and Strontium-90 from Water by Unconventional Sorbents

It has been shown that coal fly ash is a good adsorbent for both radionuclides of ¹³⁷Cs and ⁹⁰Sr. Radiocesium adsorption is maximal around the neutral region whereas radiostrontium adsorption increases with pH, especially above pH 8. Cesium retention sharply drops with ionic strength while strontium adsorption increases sharply and steadily at low and moderate concentrations of the inert electrolyte, respectively. The suggested mechanisms of radionuclide retention by fly ash is specific adsorption of Cs⁺ and irreversible ion-exchange uptake of Sr²⁺. The isotherm of adsorption is a Langmuir approximation of the B.E.T. multi-layered sorption. Acid pretreatment of fly ash, though not increasing radionuclide sorption capacity, may be useful in preventing the leach-out of other contaminants from the sorbent into water during the adsorption process.