活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭吸附去除廢水中放射性核素

　　隨著核能的發展，放射性核素造成的水污染已成為一個主要的環境問題。通常，由于核電站事故、乏燃料池和核燃料處理設施的泄漏，自然或人為導致水受到放射性核素污染。由于化學和放射性毒性，接觸放射性核素污染的水可能會帶來更嚴重的風險。基于活性炭的吸附技術由于其設計簡單、效率高、pH 范圍寬、快速、成本低和環境友好等優點，在處理放射性核素污染水方面具有巨大潛力。

　　活性炭吸附去除技術

　　吸附技術是將分子從流體本體轉移到固體表面的過程稱為吸附，如圖1所示。吸附是一種表面過程，可由化學鍵合或物理力的作用產生。該方法可以分為兩個不同的部分。術語“吸附物”是指吸附在表面上的分子種類，而“吸附劑”描述的是發生吸附過程的表面。活性炭吸附是最流行和最具成本效益的去除方法，它幾乎沒有缺點，仍然被廣泛使用。放射性核素的吸附性能在很大程度上取決于吸附劑的表面、物理和化學性質。因此，以下部分研究了不同吸附劑和吸附條件的性能。

　　圖1：活性炭吸附技術。

　　活性炭的合成工藝及影響因素

　　從廣義上講，活性炭是指一種無定形碳質材料，其特征是具有高孔隙率和較大的顆粒間表面積。它被廣泛用作吸附劑。有不同類型的活性炭，例如顆粒狀、粉末狀、浸漬狀、擠壓狀、珠狀等。最常用的類型是粉末狀活性炭。與其他吸附劑類似，表面積、孔隙率、孔體積、吸附容量、化學惰性和穩定性是活性炭更好性能的主要決定特性。以前，大多數有機資源都可以用作生產活性炭的前體。如今，生物質前體由于其低成本、可用性和可再生性而被更頻繁地使用。了解活性炭的多孔特性(包括表面積、孔徑分布和吸附能力)之間的關系對于選擇最合適的吸附劑以有效去除放射性核素至關重要。高度發達的微孔和中孔結構是多孔碳的決定性特征。對于較小分子的吸附，微孔是必需的。活性炭基質中也存在一些直徑小于0.7nm的孔隙。這些孔被稱為超微孔。微孔是最重要的孔，因為它們的表面積很大，由于它們的尺寸較小，因此它們具有更大的吸附能力。這與吸附在微孔中的分子相當。大小介于微孔和大孔之間的分子通常保留在中孔中。大孔是太大而不能被毛細冷凝填充的孔。大孔的主要目的是加快吸附物向位于活性炭內部更深處的小孔的傳輸。然而，大孔也可能容納有機物分解過程中形成的大分子，例如腐殖酸。圖2顯示了活性炭的分級多孔結構。

　　圖2：活性炭的多孔結構。

　　提高吸附性能的機理

　　活性炭是一種廣泛使用的有效吸附劑，由于其極高的孔隙率、發達的內部微孔結構和表面官能團的存在，可用于去除溶解在水介質或氣體環境中的各種污染物。最近的研究表明，改性活性炭的表面可以提高吸附能力。因為不確定哪些核素被吸附，我們不能改變被吸附物。但是，可以對吸附劑(在這種情況下為活性炭)進行改性;因此，它們的吸附能力增加。這些是物理改性、化學改性和有機或無機負載變化。在物理改性的情況下，利用微波加熱、紫外線輻射、蒸汽改性和其他物理活化技術來改性活性炭的表面。現代研究人員正在研究通過改變熱解溫度、加熱時間和加熱速率來開發活性炭表面特性的不同方法，其中可能包括熱解過程中的紫外線和微波輻射。許多活性炭已被改性和功能化以提高放射性核素吸附能力。研究人員利用強酸、強堿、聚合物和其他合成材料來改變活性炭的官能團和表面積。因此，活性炭的比表面積和吸附能力得到增強。各種有機和無機物質也可用于研究功能性氧基團與碳的連接。

　　不同的放射性核素需要不同類型的活性炭功能化以增加吸附容量或去除性能。將磺酸添加到CO2衍生的多孔碳復合材料中以增加鍶的去除。研究了放射性銫。通過用共價有機聚合物改造活性炭表面，開發了普魯士藍浸漬吸附劑。普通粉狀活性炭最初的銫去除率為20%。然而，表面改性后的銫去除率高達86.7%。使用硝酸和乙酸對源自生物質前體的活性炭進行改性。普通多孔活性炭的除碘吸附量為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。在另一項去除碘131的研究中使用2%wt/NaOH浸漬活性炭。這將去除效率從54%提高到99.65%。圖3顯示了母體材料改性前后幾種放射性核素去除效率的比較。可以看出，修改后去除效率顯著提高。

　　圖3：活性炭改性前后放射性核素去除效率的比較。

　　活性炭吸附去除廢水中放射性核素研究表明，采用多種吸附劑材料的吸附技術比其他技術具有更大的潛力。活性炭由于其特殊的結構而被認為是一種優質材料，豐富的功能組和進行額外功能化的可能性。更重要的是，它可以從豐富的廢生物質資源中生產，具有成本效益和可再生性。據觀察，生物質前體的性質、活化劑、活化條件和表面性質是影響活性炭吸附能力的關鍵因素。此外，本綜述還側重于改變活性炭的性質以提高放射性核素吸附性能。發現改性后去除效率顯著提高，開發改性活性炭以更好地去除可能是一個新興的研究領域。根據其性能、吸附能力和成本，似乎比其他放射性核素去除技術更可行。盡管活性炭的開發及其在廢水中去除放射性核素方面取得了實質性進展，但仍然迫切需要進一步研究以找到最佳合成條件、最佳吸附條件和用于修飾特定放射性核素的合適試劑。

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