利用普鲁士蓝类似物/海藻酸钙复合膜高效捕获放射性废水中的铯离子

《Desalination》：High-efficiency capture of cesium ions from radioactive wastewater using a Prussian blue analogue/calcium alginate composite membrane

普鲁士蓝类似物/钙藻酸盐复合膜通过简单涂层交联法制备，显著提升铯离子吸附效率达92.25 mg/g，在宽pH（3-12）和复配离子环境中仍保持99.65%的高去除率及98%的循环稳定性，解决了粉末吸附剂回收难题。

　　

烟台研究院与哈尔滨工程大学研究生院，中国烟台 264006

摘要

普鲁士蓝类似物（PBAs）在铯去污中的实际应用受到其难以从处理过的水中回收的阻碍。为了解决这个问题，我们通过一种简便的涂层交联策略，将PBAs封装在藻酸钙（CA）基质中，制备出了一种坚固且可回收的复合膜。所制备的普鲁士蓝类似物（PBAs/CA）复合膜表现出优异的性能：高铯离子（Cs(I)）吸附容量为92.25 mg/g，多组分系统中的去除效率高达99.65%，选择性优异，并且在广泛的pH范围（3?12）内保持高效。吸附过程遵循朗缪尔模型和伪二级动力学，表明为单层化学吸附。结合密度泛函理论（DFT）计算的研究表明，铯离子是通过与PBAs晶格空隙中的氮原子配位而被捕获的，这导致晶格常数从5.0465 ?减小到5.0186 ?。这项工作提供了一种将粉末状吸附剂转化为易于收集的膜的可持续放射性废水处理策略。

引言

< Nuclear energy, with its significant advantages of low carbon emissions, environmental friendliness, and high energy density, has become a key development direction in the global clean energy sector [1]. However, the generation process inevitably produces radioactive nuclides, which may pose significant risks to human health and the environment [2], particularly the release of cesium-137 (¹³⁷Cs), has become a global environmental challenge. With a half-life of 30.17 years, ¹³⁷Cs emits high-energy β and γ radiation (0.514 MeV and 0.662 MeV respectively) [3], [4]. Once released into the environment, it can pose serious threats to human health through bioaccumulation and food chain transmission [5]. The chemical similarity between cesium and potassium enables cesium to participate in potassium's physiological metabolic processes in the human body, competitively interfering with normal physiological functions [6], [7]. ¹³⁷Cs selectively accumulates in soft tissues, causing internal irradiation that may lead to various diseases including hematological abnormalities, malformations, and even cancer [8], [9], [10]. Historical nuclear accidents, including Chernobyl (1986) [11], Goiania (1987) [12], Fukushima Daiichi (2011) [13], and the Fukushima nuclear wastewater discharge incident (2023) [14], have all caused substantial releases of ¹³⁷Cs, leading to severe environmental and health crises. With the expanding global utilization of nuclear energy, developing efficient and economical technologies for radioactive cesium removal has become particularly urgent.

< />³⁺、Cu²⁺、Co²⁺和Ni²⁺）。其结构中含有许多半径约为3.20 ?的空位，这与水合铯离子（Cs⁺的半径3.29 ?相匹配，而其他常见竞争离子（如Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺）的水合半径明显大于3.2 ?。因此，PBAs在溶液中对铯离子（Cs(I)）具有更强的去除能力和选择性[29]、[30]。 <然而，pbas材料通常以粉末形式存在，导致机械强度较低且难以回收，这不仅会造成二次水污染，还会增加吸附成本[31]。为了克服这一限制，研究人员尝试将pbas与其他材料结合，以创造新型复合吸附剂。例如，huo等人[28]将pbas固定在三维还原氧化石墨烯气凝胶上，所得3drgo pans材料表现出高比表面积和良好的亲水性，最大吸附容量为204.9 mg g。li等人[32]通过一步法合成了基于pbas的铜铝层状双氢氧化物（pba@cual-ldh），吸附容量达到109.2 mg>⁴⁺交联的多孔胶原纤维（CFs）上，制备出一种新型吸附剂（PBAs-CF），从水中去除铯离子（Cs⁺的效率达到95%。 < /> <本研究采用简单的涂层交联方法制备了普鲁士蓝类似物 藻酸钙（pbas ca）复合膜。通过将pbas和藻酸钠的混合物涂覆在平坦基底上，然后浸入氯化钙溶液中使藻酸钠交联成藻酸钙基质来合成该膜。通过静态批量吸附实验，在不同条件下测试了pbas ca复合膜的吸附性能，包括初始溶液ph值、吸附剂用量、吸附时间、温度、初始溶液浓度以及竞争离子的存在情况。从实验数据中确定了吸附过程的动力学和热力学特性。此外，本研究还利用密度泛函理论（dft）计算分析了pbas> <材料与化学试剂> < />₄[Fe(CN)₆）、氯化钴（CoCl₂）、藻酸钠（SA）和氢氧化钠（NaOH）由国家医药集团化学试剂有限公司提供。氯化镍（NiCl₂）、氯化铯（CsCl）、盐酸（HCl）和硝酸（HNO₃）由天津耀华化学试剂有限公司提供。氯化钙（CaCl <结构与形态表征> <使用多种表征技术系统研究了pbas ca复合膜的结构特性。如图2a所示，ft-ir分析在pbas ca光谱中发现了2086>^{?1?1 <结论> <本研究成功制备了一种新型的藻酸钙包裹普鲁士蓝类似物（pbas ca）复合膜，用于高效去除铯离子（cs(i)）。该复合膜表现出优异的吸附性能，最大吸附容量为92.25 mg> <作者声明> <致谢> < />< />（52303122）、< />（ZR2024QE114、ZR2024QE246）以及< />（3072025YC2703）的支持。}