中國粉體網訊 據媒體報道，日本政府近日正式決定將福島第一核電站的上百萬噸核廢水過濾并稀釋后排入大海。據悉，2011年3月日本因大地震造成核泄漏事故后，東京電力為了避免反應堆出現堆芯熔毀，不得不緊急向福島第一核電站機組注入大量海水，致使機組廠房和附近部分區域積累大量高輻射廢水，研發快速、高效的核廢水處理技術，已是世界核科學技術發展的迫切需求。
據了解，放射性廢水中包含大量的不同放射性核素，如51Cr、54Mn、60Co、65Ni、56Mn、84Br、88Rb、90Sr、134Cs、137Cs、99mTe、131I、137mBa等。放射性“三廢”中，對環境及人類的危害而言，放射性廢水是需要重點解決的問題，同時也面臨著較多的技術挑戰。因此必須認真對放射性廢水進行妥善的處理和處置，嚴格控制放射性廢水的任意排放。
常用的放射性廢水處理技術包括蒸發濃縮、化學沉淀法、電滲析法、膜法、離子交換法等。目前處理放射性廢水比較成熟和有效的方式主要包括有機材料樹脂和無機材料多價金屬磷酸鹽、普魯士藍類化合物、多價金屬(過渡金屬)的氧化物及氫氧化物、鋁硅化合物的離子交換法。
有機離子交換樹脂
有機離子交換體系中，用離子交換樹脂的廢水處理技術相對比較成熟，并有多年的應用歷史。但是有機離子交換樹脂在應用過程中也存在一些缺點，例如：耐輻射和高溫能力差，在固化中易形成空穴而導致廢液的浸出，分解產物不便于后續處理，對含機油的溶液交換能力低等，影響了廢水處理效果。
多價金屬磷酸鹽
近幾年來，一類原料易得、制備技術簡單，離子交換性能好，且耐高溫、耐氧化劑、耐輻射的磷酸鹽系列陽離子交換劑引起了人們的廣泛關注。美國蒙特實驗室利用內裝CaHPO4的離子交換柱處理含有238Pu和210Po的放射性廢水，去除率為99.8%。
大量研究表明，磷酸鋯是多價金屬磷酸鹽的突出代表，它具有交換容量大；可以和大多數金屬陽離子發生交換作用，具有較高的離子選擇性。其在動態和靜態離子交換實驗中均具有良好的穩定性，在300°C下能進行有效交換。但是在酸性、高鹽量的高放廢水中，磷酸鹽材料交換容量比較低，不能達到排放標準。而且通常在中性或堿性反應堆循環水中，ZrP水解損失磷酸根的現象十分嚴重。
普魯士藍類化合物
用普魯士藍類化合物作為離子交換劑是研究放射性廢水處理的一大熱點。其特殊的結構決定了它既具有無機電活性，又同時有沸石特性能在水溶液中很快地與堿金屬離子發生交換。實驗表明，普魯士藍化合物在酸性、高含鹽量介質中具有足夠的機械穩定性、良好水力學性能和對銫離子有較強的結合能力。
在1987年的切爾諾貝利核事故以及2011年的日本福島核電站泄漏事故中，普魯士藍都被有效的用于吸附Cs+。但是由于普魯士藍本身粒徑小，容易聚集的特點，導致普魯士藍的后續回收十分困難，所以研究易于回收的普魯士藍功能材料一度成為了熱點。
多價金屬(過渡金屬)的氧化物和氫氧化物
多價金屬的氫氧化物和水合氧化物這兩類物質大多都具有兩性交換能力。這類無機離子交換劑的離子交換原理包括兩部分：一部分是體系中的有毒有害金屬離子與多價水合氧化物和氫氧化物表面的耦合氫離子相交換；另一部分是金屬離子與多價水合氧化物和氫氧化物結構中半徑較大的一價或二價陽離子相交換。如調節氧化鋁溶液的pH值，就可以分離Fe、Mo、Tc等無載體的放射性核素，它們在溶液中都以陰離子形式存在。近年來，利用MnO2尤其是改性后的MnO2對含Co、Cr、Cu、Pb等重金屬離子的廢水做了大量研究。但是這類化合物與磷酸鹽相似，受酸度、鹽度的影響比較大，要在技術上改進相對比較困難。
鋁硅化合物
以沸石、粘土為代表的鋁硅化合物是最早應用于放射性廢水處理的無機材料。沸石是硅氧四面體和鋁氧四面體，四面體以硅或鋁原子為中心，四周包圍4個氧原子，硅氧或鋁氧四面體通過相互連接四面體頂點的氧原子，使之組成單元環、雙元環或多元環，從而形成具有三維空間結構的結晶多面體。但因為鋁氧四面體中的一個氧原子的價電子沒有被中和，所以整個四面體帶有一個負電荷。為了保持電中性，四面體附近需要有一個金屬陽離子來抵消，因此可以用來做離子交換劑。
大量實驗證明，硅鋁酸鹽對放射性廢水中銫和鍶有良好的選擇性，而且交換137Cs的沸石可原封不動地作為放射源使用。日本崛岡正和等報道了利用天然沸石從低放射性廢水中去除137Cs的工作。美國漢福特核燃料處理工廠報道了利用天然沸石從高水平放射性廢液中回收137Cs的工藝流程。但是硅鋁酸鹽這類無機離子交換劑受溶液酸度和鹽度的影響大，在高鹽度和高酸度情況下，吸附性能大大地減弱的局限性，只適合在低酸和低鹽度的放射性廢水中測量。
新型多孔材料
多孔材料是一種由孔泡和相互連接的孔壁組成的三維網狀結構材料，具有比表面積大、孔隙率大、相對密度小、熱導率小等特點。大量研究發現，由于三維多孔材料結構的特殊性，對放射性廢水離子的交換容量大，后處理方便等優勢，對廢水處理有非常好的效果。
各種多孔材料的特性
（來源：核應急廢水處理用普魯士藍/碳納米管海綿吸附材料及性能，沈舞婷）
其中，多孔陶瓷是以剛玉砂、碳化硅、堇青石等優質原料為主料，經過成型和特殊高溫燒結工藝制備的一種具有高開口氣孔率的一種多孔性陶瓷材料，具有耐高溫、高壓；抗酸、堿和有機介質腐蝕；良好的生物惰性；可控的孔結構及高的開口孔隙率；使用壽命長；產品再生性能好等優點。多孔陶瓷作為一種三維開架多孔材料，在廢水處理方面具有很大的發展潛能。
近幾年來，利用無機陶瓷處理放射性廢水的研究日趨成熟，實驗制備了陶瓷膜及其改進技術對離子吸附有顯著的成效。在此基礎上，科學家通過進一步改進，利用機械擠出、顆粒堆積、成孔劑、發泡、多孔模板、凝結構成多孔陶瓷和多孔玻璃陶瓷等，實現了大容量吸附的目的。
參考來源：
核應急廢水處理用普魯士藍/碳納米管海綿吸附材料及性能，沈舞婷，南京航空航天大學2014
普魯士藍及其功能材料在廢水凈化中的應用，李軍奇，長春理工大學2020
（中國粉體網編輯整理/平安）
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