99Tc是乏燃料后處理過程中最為棘手的放射性核素之一，它半衰期長、毒性大，在水溶液中以99TcO4?形式存在。在乏燃料后處理和核環(huán)境修復等領域，設計合成具有優(yōu)異99TcO4?捕獲性能的分離材料是一個重大挑戰(zhàn)。目前，常用于去除分離99TcO4?的材料多為陽離子型吸附劑。已經大規(guī)模使用的吸附劑材料是陰離子交換樹脂（如IRA-400、IRA-401或 Purolite-A-520E等），但是它們低的吸附速率、有限的吸附容量仍需要進一步提高。近期，研究者們將目光投向新型多孔材料，制備了陽離子型的CNPs、MOFs、COFs、PAFs等用于去除99TcO4?。雖然這些多孔材料展現(xiàn)了快速的吸附動力學、高的吸附容量以及良好的選擇性，但是它們以粉末形式存在并且制備成本昂貴，阻礙了它們的實際應用前景。
近期，東北師范大學朱廣山教授團隊聯(lián)合中科院高能所石偉群研究員團隊首次將聚合物納米纖維吸附劑用于99TcO4?的去除分離。相比于陰離子交換樹脂，聚合物纖維吸附劑也是一類具有宏觀形貌、有大規(guī)模使用潛力的吸附劑材料。在本項研究中，考慮到現(xiàn)有吸附劑的優(yōu)勢及不足、并克服傳統(tǒng)纖維吸附劑傳質阻力大、接枝效率低并且無法有效識別99TcO4?的問題，作者通過靜電紡絲技術并結合造孔和后接枝改性方法，獲得了多孔的超支化季銨鹽功能化的陽離子纖維。
圖1：多孔陽離子纖維吸附劑的制備流程圖。
圖2：多孔陽離子纖維的SEM圖和氮氣吸附脫附曲線。
圖3：多孔陽離子纖維吸附劑靜態(tài)吸附99TcO4?/ ReO4?的性能。
多孔結構和超支化季銨鹽可以有效提高功能基團接枝密度，提高吸附容量。此外，多孔結構還可以降低傳質阻力、提高吸附速率，并且多孔結構還可以增強功能基團的利用率。獲得的多孔陽離子纖維吸附劑可以在1 min內去除97%的99TcO4?，吸附平衡可以在20 min內完成，遠遠快于傳統(tǒng)的陰離子交換樹脂以及其他可成型的吸附劑。合成的多孔陽離子纖維吸附劑對99TcO4?的模擬物ReO4?的最大吸附容量可以達到826 mg/g，這一數(shù)值高于目前報道的所有具有宏觀形貌的陰離子交換樹脂和大部分新型多孔材料。通過對纖維微環(huán)境的調控，多孔陽離子纖維吸附劑能在極端環(huán)境（如高酸/高堿性、高離子強度、強輻照）下實現(xiàn)ReO4?的選擇性去除。
圖4：多孔陽離子纖維吸附劑動態(tài)分離ReO4?的實驗裝置和性能。
值得注意的是，多孔陽離子纖維吸附劑是以膜形式存在，能夠作為吸附膜通過動態(tài)實驗實現(xiàn)優(yōu)異的ReO4?動態(tài)吸附去除效果。實驗結果表明，一定體積范圍內流出溶液中Re的剩余濃度小于16 ppb，經過5個動態(tài)吸附?解吸循環(huán)后，去除率仍高達95%以上。另外，對于模擬的Hanford核電廠廢水動態(tài)吸附實驗中，1kg多孔陽離子纖維吸附劑可以有效處理600 kg的模擬廢水。該研究工作為開發(fā)基于放射性陰離子去除的新型材料提供了重要研究思路，相關材料也具有潛在的應用前景。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202200618
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