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硫属化物离子交换材料有效去除和回收放射性离子

材料

作者：X-MOL 2016-10-12

随着核能的发展，放射性有毒废弃物带来的威胁日益严重。例如，铀（U）是高毒性的放射性核素，具有致癌性，而铯（¹³⁷Cs）和锶（⁹⁰Sr）是高放射性废液中半衰期较长的高释热裂变产物，具有生物毒性。放射性核废物尤以其溶液处理最为棘手。因此，开发能够有效去除UO₂²⁺、Cs⁺、Sr²⁺这类离子的新材料对核废液处理具有重要意义。另一方面，海水中蕴藏着大量的铀，全球海洋中约含45亿吨铀（浓度约3.3 ppb），比陆地铀储量高近千倍，而且从水中提取铀既方便又环保。所以从水溶液中捕获和回收铀无论经济上还是战略上都具有重要意义。

近日，中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室黄小荥（点击查看介绍）课题组与美国西北大学化学系Prof. Mercouri G. Kanatzidis（点击查看介绍）合作，利用硫属化合物结构中的路易斯软碱S²^-对UO₂²⁺离子的亲和力，以及有机胺阳离子的尺寸可调和构型柔性的特点，创新性地在硫属化合物离子交换材料体系中发展了首个以有机胺阳离子交换UO₂²⁺离子的硫代锡酸盐FJSM-SnS，其具有优越的耐酸碱性，对UO₂²⁺离子具有较高的吸附量，达到338.43 mg/g，超过了商用的离子交换树脂。并且FJSM-SnS对UO₂²⁺离子具有良好的选择性，即使在高浓度Na⁺、Ca²⁺或HCO₃^-存在的情况下，该离子交换剂仍然对UO₂²⁺离子具有良好的去除能力，对恒量的UO₂²⁺离子也可以保持非常高的去除率（接近100%）。更为有意义的是，吸附的UO₂²⁺离子能够通过简单、环境友好的方法将其洗脱下来，即将负载UO₂²⁺的产品浸泡在高浓度的KCl溶液中即可达到洗脱的目的。因此，FJSM-SnS作为铀去除剂具有如下优点：（i）低值、容易合成；（ii）优越的耐酸碱性；（iii）较高的铀去除效率；（iv）容易、便宜、高效的洗脱能力。故FJSM-SnS在去除和回收放射性铀方面具有潜在的应用。这项研究也进一步证实UO₂²⁺是比以前人们认为得更软的路易斯酸离子（传统上人们认为UO₂²⁺是路易斯硬酸）。

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此前，黄小荥课题组戚兴辉、杜克钊等人首次将FJSM-SnS一步合成得到大量纯相，该材料原子利用率高，合成原料相对廉价，组分简单均一，具有较强的耐酸碱性，对Cs⁺和Sr²⁺离子具有强的亲和力和高的选择性。并且应用离子交换层析柱等实验证实，小分子有机胺导向的[Sn₃S₇]_n^2n-骨架离子交换材料是一种高效的去除Cs⁺和Sr²⁺的新型离子交换材料（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 5665；专利号：201410493248.6）。

此外，该课题组提出以有机胺阳离子为结构导向剂，将金属硫属四面体和其他不对称配位多面体组合构筑硫属化物基微孔材料的设计思想。基于这一设计思想，合成了一系列具有离子交换性能的异金属硫属化合物。其代表性化合物包括首例具有手性三维开放骨架结构、对Cs⁺离子有强离子交换能力和高选择性的锗锑基异金属硫化物（冯美玲 et. al Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 8623，热点论文；专利授权号：ZL 200810071790.7）；以及一例对Cs⁺离子有强离子交换能力和高选择性、骨架对离子交换具有柔性响应的三维多孔银锡异金属硒化物（李建荣 et al. Dalton Trans., 2011, 40, 4837，封面文章；专利授权号：ZL 200910112276.8）。并发表了多篇综述性文章（王凯耀 et al. Coord. Chem. Rev., 2016, 322, 41；冯美玲 et. al Chem. Rec., 2016, 16, 582），对该领域的工作做了系统的总结和展望。

有效去除和回收UO₂²⁺离子的研究成果发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 12578）。第一作者是冯美玲副研究员（点击查看介绍）。该研究工作得到了美国国家自然科学基金、中国973计划项目、国家自然科学基金项目、中科院海西研究院“春苗人才”专项的大力支持。