近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院陳志副教授團(tuán)隊(duì)成功合成了一種具有雙功能的陽離子型有機(jī)聚合物材料，并將其應(yīng)用于高效凈化含锝核廢水。這項(xiàng)研究成果以“Synthesis and performance of guanidinium-based cationic organic polymer for the efficient removal of TcO4-/ReO4-”為題發(fā)表在國際知名期刊《危險(xiǎn)材料雜志》（Journal of Hazardous Materials，466（2024）133602）上。
在發(fā)展核能的過程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生大量的含锝(99Tc)廢水。放射性核素99Tc是一種長壽命裂變產(chǎn)物，半衰期長達(dá)2.13×105年，具有長期潛在放射性危害。水溶液中99Tc通常以穩(wěn)定的TcO4-的形式存在。TcO4-具有高溶解性、遷移能力強(qiáng)、易泄露的特性，可能進(jìn)入地下水，對(duì)人類健康和周邊環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此需要高效去除TcO4-。
陽離子型有機(jī)聚合物（COP，Cationic Organic Polymer）是一類新興的帶有正電荷的聚合物材料，近年來被廣泛用于TcO4-/ReO4-的去除。COP由強(qiáng)共價(jià)鍵構(gòu)成，在苛刻環(huán)境下具有高化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和一定的耐輻照性能等突出優(yōu)點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的COP制備條件通常嚴(yán)苛，即要求高溫、無水、無氧或長制備時(shí)間，這限制了其在大規(guī)模應(yīng)用中的可行性。因此，如何調(diào)控COP的結(jié)構(gòu)，選擇合適基體單元，并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備具有活性高、穩(wěn)定性高、選擇性優(yōu)越、循環(huán)性能好的COP材料，成為推動(dòng)這一研究領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題。
胍基陽離子型有機(jī)聚合物材料的合成和去除TcO4-示意圖
針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)選擇含活性基團(tuán)胍基基體作為節(jié)點(diǎn)單元和含有吸電子體N元素的吡啶基體作為連接單元，通過Schiff堿反應(yīng)成功制備出高性能的聚合物材料(GBCOP)。經(jīng)過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)表征，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)GBCOP呈多孔層狀結(jié)構(gòu)，有利于TcO4-/ReO4的高效去除。這種材料具有胍基和吡啶基兩種官能團(tuán)，不僅擁有豐富的活性位點(diǎn)而且表現(xiàn)出優(yōu)越的穩(wěn)定性。利用非放射性的ReO4-模擬實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)GBCOP對(duì)水溶液中的ReO4-具有快速的去除動(dòng)力學(xué)(1 min, 99%)和高達(dá)537 mg/g的去除容量。在1000倍NO3-陰離子共存的情況下，GBCOP對(duì)ReO4-的去除率為74%，表明其具有良好的選擇性。在較寬的pH(3.0 ~ 10.0)范圍內(nèi)，GBCOP對(duì)ReO4-具有高的去除效率，且在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿條件下仍有較好的穩(wěn)定性。此外，GBCOP可重復(fù)使用4次，且可以去除模擬Hanford廢水中81%的ReO4-。最后，結(jié)合DFT計(jì)算揭示了GBCOP去除ReO4-的機(jī)理是通道內(nèi)Cl-離子被替換成ReO4-。這種雙功能GBCOP材料具有高的選擇性和穩(wěn)定性，且制備過程更為簡單，成本更低。該研究成果為核廢水中TcO4-的處理提供了一種新的有效的解決方案，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
核科學(xué)技術(shù)學(xué)院輻射防護(hù)課題組碩士研究生唐輝平是該項(xiàng)工作的第一作者，陳志副教授為通訊作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.133602
（核科學(xué)技術(shù)學(xué)院、科研部）
