活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭吸附去除废水中放射性核素

　　随着核能的发展，放射性核素造成的水污染已成为一个主要的环境问题。通常，由于核电站事故、乏燃料池和核燃料处理设施的泄漏，自然或人为导致水受到放射性核素污染。由于化学和放射性毒性，接触放射性核素污染的水可能会带来更严重的风险。基于活性炭的吸附技术由于其设计简单、效率高、pH 范围宽、快速、成本低和环境友好等优点，在处理放射性核素污染水方面具有巨大潜力。

　　活性炭吸附去除技术

　　吸附技术是将分子从流体本体转移到固体表面的过程称为吸附，如图1所示。吸附是一种表面过程，可由化学键合或物理力的作用产生。该方法可以分为两个不同的部分。术语“吸附物”是指吸附在表面上的分子种类，而“吸附剂”描述的是发生吸附过程的表面。活性炭吸附是最流行和最具成本效益的去除方法，它几乎没有缺点，仍然被广泛使用。放射性核素的吸附性能在很大程度上取决于吸附剂的表面、物理和化学性质。因此，以下部分研究了不同吸附剂和吸附条件的性能。

　　图1：活性炭吸附技术。

　　活性炭的合成工艺及影响因素

　　从广义上讲，活性炭是指一种无定形碳质材料，其特征是具有高孔隙率和较大的颗粒间表面积。它被广泛用作吸附剂。有不同类型的活性炭，例如颗粒状、粉末状、浸渍状、挤压状、珠状等。最常用的类型是粉末状活性炭。与其他吸附剂类似，表面积、孔隙率、孔体积、吸附容量、化学惰性和稳定性是活性炭更好性能的主要决定特性。以前，大多数有机资源都可以用作生产活性炭的前体。如今，生物质前体由于其低成本、可用性和可再生性而被更频繁地使用。了解活性炭的多孔特性(包括表面积、孔径分布和吸附能力)之间的关系对于选择最合适的吸附剂以有效去除放射性核素至关重要。高度发达的微孔和中孔结构是多孔碳的决定性特征。对于较小分子的吸附，微孔是必需的。活性炭基质中也存在一些直径小于0.7nm的孔隙。这些孔被称为超微孔。微孔是最重要的孔，因为它们的表面积很大，由于它们的尺寸较小，因此它们具有更大的吸附能力。这与吸附在微孔中的分子相当。大小介于微孔和大孔之间的分子通常保留在中孔中。大孔是太大而不能被毛细冷凝填充的孔。大孔的主要目的是加快吸附物向位于活性炭内部更深处的小孔的传输。然而，大孔也可能容纳有机物分解过程中形成的大分子，例如腐殖酸。图2显示了活性炭的分级多孔结构。

　　图2：活性炭的多孔结构。

　　提高吸附性能的机理

　　活性炭是一种广泛使用的有效吸附剂，由于其极高的孔隙率、发达的内部微孔结构和表面官能团的存在，可用于去除溶解在水介质或气体环境中的各种污染物。最近的研究表明，改性活性炭的表面可以提高吸附能力。因为不确定哪些核素被吸附，我们不能改变被吸附物。但是，可以对吸附剂(在这种情况下为活性炭)进行改性;因此，它们的吸附能力增加。这些是物理改性、化学改性和有机或无机负载变化。在物理改性的情况下，利用微波加热、紫外线辐射、蒸汽改性和其他物理活化技术来改性活性炭的表面。现代研究人员正在研究通过改变热解温度、加热时间和加热速率来开发活性炭表面特性的不同方法，其中可能包括热解过程中的紫外线和微波辐射。许多活性炭已被改性和功能化以提高放射性核素吸附能力。研究人员利用强酸、强碱、聚合物和其他合成材料来改变活性炭的官能团和表面积。因此，活性炭的比表面积和吸附能力得到增强。各种有机和无机物质也可用于研究功能性氧基团与碳的连接。

　　不同的放射性核素需要不同类型的活性炭功能化以增加吸附容量或去除性能。将磺酸添加到CO2衍生的多孔碳复合材料中以增加锶的去除。研究了放射性铯。通过用共价有机聚合物改造活性炭表面，开发了普鲁士蓝浸渍吸附剂。普通粉状活性炭最初的铯去除率为20%。然而，表面改性后的铯去除率高达86.7%。使用硝酸和乙酸对源自生物质前体的活性炭进行改性。普通多孔活性炭的除碘吸附量为806mg/g。然而，吸附容量在硝酸改性后增加到1385.5mg/g，在乙酸改性后增加到1284.5mg/g。在另一项去除碘131的研究中使用2%wt/NaOH浸渍活性炭。这将去除效率从54%提高到99.65%。图3显示了母体材料改性前后几种放射性核素去除效率的比较。可以看出，修改后去除效率显着提高。

　　图3：活性炭改性前后放射性核素去除效率的比较。

　　活性炭吸附去除废水中放射性核素研究表明，采用多种吸附剂材料的吸附技术比其他技术具有更大的潜力。活性炭由于其特殊的结构而被认为是一种优质材料，丰富的功能组和进行额外功能化的可能性。更重要的是，它可以从丰富的废生物质资源中生产，具有成本效益和可再生性。据观察，生物质前体的性质、活化剂、活化条件和表面性质是影响活性炭吸附能力的关键因素。此外，本综述还侧重于改变活性炭的性质以提高放射性核素吸附性能。发现改性后去除效率显着提高，开发改性活性炭以更好地去除可能是一个新兴的研究领域。根据其性能、吸附能力和成本，似乎比其他放射性核素去除技术更可行。尽管活性炭的开发及其在废水中去除放射性核素方面取得了实质性进展，但仍然迫切需要进一步研究以找到最佳合成条件、最佳吸附条件和用于修饰特定放射性核素的合适试剂。

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