一种固铯材料的制备方法和应用技术

本申请涉及放射性废物处理领域，更具体地说，它涉及一种针对液相中放射性铯的高选择性固化材料的制备和应用方法。所述固铯材料完全由无机组分构成，所述的无机组成包括金属

【技术实现步骤摘要】
一种固铯材料的制备方法和应用


[0001]本申请涉及放射性废物处理
，更具体地说，它涉及一种固铯材料的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]与化石能源相比，核能属于清洁、可持续的新能源；与光伏发电、水电、风电等其他新能源相比，核电生产过程更可控、并网更稳定、产业运行更成熟。放射性铯与自然水体中广泛存在的Na和K性质相近，在介质中极易快速扩散并被生物吸收。当人体受照射达到0.25Gy即会损害神经系统，当大于6Gy可能诱发细胞癌变或基因突变，甚至导致畸形。因此，高效去除液相中的放射性铯、并将其固定以避免其向环境中的迁移，对核事故应急处理具有重要意义。
[0003]放射性铯在水中通常以Cs
+
的形式存在，目前主要有四大类处理方法：化学沉淀法、溶剂萃取法、膜分离法以及吸附法。其中吸附法利用吸附剂与吸附质间的作用，使水中的目标核素富集在固体吸附剂表面，从而达到由水中去除的目的。核电站正常运行时，核素净化系统中使用的吸附剂为离子交换树脂，其形态为毫米级别的颗粒，可以在高速吸附柱中填充使用，保证净化系统出水水质要求。但是，作为一种有机吸附材料，离子交换树脂对放射性铯的富集依靠有机骨架上的荷电官能团，不具有对铯的特异性识别能力。因此，在自然水体中大量Na
+
、K
+
、Ca
2+
等共存离子的干扰下，离子交换树脂无法实现对铯的有效富集。
[0004]为了实现吸附剂对铯的特异性识别，现有技术常采用无机及无机
‑
有机杂化吸附剂，包括云母、磷酸锆、钛硅化合物、金属亚铁氰化物以及无机改性离子交换树脂等。但是，这些材料都有不同的应用缺陷，具体为：1)当环境温度、pH等物理、化学条件变化时，材料对铯的识别能力下降，除铯率降低，处理时间延长，而且在复杂处理环境下，材料有机组分稳定性差；2)为了利用表面识别位点，无机材料通常为纳米粉体，无法在高速吸附柱中应用；3)材料中的有机组分导致材料除铯后仍为弥散状，难以固化以避免铯向环境中迁移。因此，从复杂环境适应性、工程适用性和离子迁移性角度，这些材料无法满足事故应急需求；亟待开发能够高选择性富集液相中的放射性铯、并能高效限制铯迁移的材料。

技术实现思路

[0005]本公开提供了一种固铯材料的制备方法和应用，目的在于提供高选择性固铯材料，以克服现有技术在核事故应急处理中无法适应复杂环境，难以工程应用和离子迁移性高的问题。
[0006]第一方面，本公开提供一种固铯材料，所述固铯材料完全由无机组分构成，所述的无机组成包括金属
‑
非金属氧簇、金属氧化物、非金属氧化物和碱；
[0007]所述固铯材料化学组分的质量比为：金属
‑
非金属氧簇:金属氧化物:非金属氧化物:碱＝(0.1
‑
1.3):(0.18
‑
0.3):(0.6
‑
0.72):(0.05
‑
0.1)。
[0008]优选的，所述金属
‑
非金属氧簇为磷钨酸、硅钨酸、磷钼酸中的一种或多种，所述金
属氧化物为无定型态活性氧化铝，所述非金属氧化物为无定型态活性氧化硅，所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或多种。
[0009]优选的，所述固铯材料中的结构中所述金属
‑
非金属氧簇由1个中心四面体和4组三金属簇构成。
[0010]优选的，所述固铯材料的微观结构包括主体与客体，所述主体与所述客体结合；
[0011]Al
‑
O四面体与Si
‑
O四面体通过O连接成的网状聚合结构为主体，W
‑
O或Mo
‑
O八面体与P
‑
O或Si
‑
O四面体通过O连接成的氧簇结构为客体，主客体间可由W
‑
O或Mo
‑
O八面体与Al
‑
O四面体或Si
‑
O四面体通过O连接。
[0012]具有在多种阳离子同时存在、pH值变化剧烈的复杂水环境中高效选择铯并将其固定在材料上的能力。这一优势来源于：
[0013]1)客体具有铯识别位点，通过钨或钼直接与铯特异性地结合；
[0014]2)主客体间以氧四面体形式通过氧原子连接，主体网状聚合结构表面的负电性可在低pH范围内减弱碱金属离子对客体的竞争占据。
[0015]铯与金属氧簇中的钨或钼产生特异性作用，因此可以在共存离子的干扰下高选择性地将铯固定在材料上，赋予材料对铯的高选择性。解决了现有技术利用离子交换及静电作用难以高效去除铯、特别是无法在强酸性废水中特异性识别和固定铯的问题。
[0016]优选的，所述金属氧化物与非金属氧化物比例为1:0.8
‑
4。
[0017]优选的，所述客体结构为纳米晶体，颗粒平均为50nm
‑
100nm，所述主体结构为无定型态，宏观表面粗糙，比表面积约为5
‑
20m2/g。
[0018]优选的，所述固铯材料外观呈现类球形，颗粒粒径为10μm
‑
1500μm。
[0019]优选的，所述固铯材料粒径为600μm～800μm。
[0020]可获得粒径接近毫米级别的高选择性固铯材料，能够直接填装进高速吸附柱，在合理的水头损失下获得较高的流速，提高处理效率。
[0021]第二方面，本公开提供一种固铯材料的制备方法，包括以下步骤：
[0022]A:合成客体：
[0023]A1：取质量份1
‑
10份非金属酸盐溶于去离子水中，待全部溶解后升温至80℃
‑
100℃，用盐酸调节pH＝5.0
‑
6.5；
[0024]A2：取质量份8
‑
60份金属酸盐溶于去离子水中，加入到所述A1制得的溶液中并升温至90℃
‑
100℃，用盐酸调节pH＝1.0
‑
2.5，剧烈搅拌反应1
‑
4h后冷却至室温；
[0025]A3：用有机溶剂萃取所述A2制得的溶液中的金属
‑
非金属氧簇，在干燥后重结晶得到固体物质即为客体；
[0026]B:合成主体：
[0027]B1：取质量份1份所述碱加入到质量份1.5份
‑
3.5份去离子水中，搅拌至完全溶解；
[0028]B2：取所述金属氧化物和所述非金属氧化物的质量比为1:2
‑
2:1，制得混合物与所述B1中制得的溶液混合，所述制得混合物与所述B1中制得的溶液的质量比为2
‑
4:1，搅拌3min
‑
10min完全混合成浆料，将浆料以0.5mL/s
‑
2.0mL/s的速度滴入粘度为500mm2/s
‑
1500mm2/s的有机介质中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固铯材料，其特征在于，所述固铯材料完全由无机组分构成，所述的无机组成包括金属
‑
非金属氧簇、金属氧化物、非金属氧化物和碱；所述固铯材料化学组分的质量比为：金属
‑
非金属氧簇:金属氧化物:非金属氧化物:碱＝(0.1
‑
1.3):(0.18
‑
0.3):(0.6
‑
0.72):(0.05
‑
0.1)。2.根据权利要求1所述固铯材料，其特征在于，所述金属
‑
非金属氧簇为磷钨酸、硅钨酸、磷钼酸中的一种或多种，所述金属氧化物为无定型态活性氧化铝，所述非金属氧化物为无定型态活性氧化硅，所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或多种。3.根据权利要求1所述固铯材料，其特征在于，所述固铯材料中的结构中所述金属
‑
非金属氧簇由1个中心四面体和4组三金属簇构成。4.根据权利要求3所述固铯材料，其特征在于，所述固铯材料的微观结构包括主体与客体，所述主体与所述客体结合；Al
‑
O四面体与Si
‑
O四面体通过O连接成的网状聚合结构为主体，W
‑
O或Mo
‑
O八面体与P
‑
O或Si
‑
O四面体通过O连接成的氧簇结构为客体，主客体间可由W
‑
O或Mo
‑
O八面体与Al
‑
O四面体或Si
‑
O四面体通过O连接。5.根据权利要求1所述固铯材料，其特征在于，所述金属氧化物与非金属氧化物比例为1:0.8
‑
4。6.根据权利要求4所述固铯材料，其特征在于，所述客体结构为纳米晶体，颗粒平均为50nm
‑
100nm，所述主体结构为无定型态，宏观表面粗糙，比表面积约为5
‑
20m2/g。7.根据权利要求1所述固铯材料，其特征在于，所述固铯材料外观呈现类球形，颗粒粒径为10μm
‑
1500μm。8.一种权利要求1
‑
7所述固铯材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A:合成客体：A1：取质量份1
‑
10份非金属酸盐溶于去离子水中，待全部溶解后升温至80℃
‑
100℃，用盐酸调节pH＝5.0
‑
6.5；A2：取质量份8
‑
60份金属酸盐溶于去离子水中，加入到所述A1制得的溶液中并升温至90℃
‑
100℃，用盐酸调节pH＝1.0
‑
2.5，剧烈搅拌反应1
‑
4h后冷却至室温；A3：用有机溶剂萃取所述A2制得的溶液中的金属
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非金属氧簇，在干燥后重结晶得到固体物质即为客体；B:合成主体：B1：取质量份1份所述碱加入到质量份1.5份
‑
3.5份去离子水中，搅拌至完全溶解；B2：取所述金属氧化物和所述非金属氧化物的质量比为1:2
‑
2:1，制得混合物与所述B1中制得的溶液混合，所述制得混合物与所述B1中制得的溶液的质量比为2
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：孙奇娜，王梦舟，许嘉谦，宋金山，赵旭，李嘉琪，张伊涵，张庆瑞，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：