通过亲核芳香取代反应简便合成超交联聚合物吸附剂，用于高效从水溶液中提取六价铀（U(VI)）

《Applied Surface Science Advances》：Facile synthesis of a hyper-crosslinked polymeric adsorbent via nucleophilic aromatic substitution reaction for efficient extraction of U(VI) from aqueous solution

新型含 amidoxime 基团的聚合物吸附剂 PG-TCP-AO 通过两步法合成，具有高铀吸附容量（147.06 mg/g，是 PG-TCP-CN 的 9.28 倍），吸附过程符合伪二阶动力学和 Langmuir 等温模型，主要依赖化学配位作用，再生性能优异（循环 6 次后仍保持 95% 以上吸附能力），适用于海水及含铀废水处理。

　　
核能可持续发展与放射性废水治理需求催生新型铀吸附材料研究

核能作为清洁能源的代表，其规模化发展对能源结构优化具有战略意义。然而，放射性废水处理已成为制约核能可持续发展的关键问题。这类废水含有高浓度的铀离子（U(VI)），其生态毒性不仅导致水生生物基因突变，更通过食物链传递引发人类健康风险。传统处理方法如化学沉淀法存在效率低、二次污染严重等问题，而吸附法因其操作简便、再生性强的特点备受关注。近年来，功能化聚合物吸附剂在铀离子捕获领域展现出显著优势，但现有材料普遍面临成本高昂、化学稳定性不足等瓶颈。

本研究的创新点在于开发了一种基于多酚结构的聚合物吸附剂PG-TCP-AO，其合成路径突破传统复杂工艺，采用两步法实现高效铀吸附。首先通过亲核取代反应构建聚合物骨架，继而引入氨基酮肟（amidoxime）功能基团。这种设计既保留了多酚类材料良好的生物相容性，又通过特异性官能团实现了铀离子的精准捕获。

材料表征显示，PG-TCP-AO具有独特的多级孔结构（SEM显示表面粗糙度达1.2μm），其热稳定性经TGA验证可承受600℃高温分解，在模拟海水（pH 7）中吸附平衡仅需60分钟，较传统材料缩短2.3倍。XPS分析证实成功引入–CONHNH2基团（特征峰出现在N 1s和C 1s区域），FT-IR谱图中1600-1700cm-1处的特征吸收峰印证了酰胺键的存在。

吸附性能测试表明，该材料对U(VI)展现出卓越的捕获能力：最大吸附容量达147.06mg/g，较对照组提升9.28倍。这种性能优势源于三重协同机制：1）氨基酮肟基团与铀离子形成稳定的配位键（结合能约45kJ/mol）；2）多孔结构（比表面积达632m2/g）提供充足的反应界面；3）pH自适应特性（最佳pH7）确保在宽pH范围（4-10）内保持高效吸附。

动力学研究表明，吸附过程符合伪二级动力学模型（R2=0.98），表明主要受化学吸附控制。热力学参数显示ΔG=-32.15kJ/mol（负值证实自发过程），ΔH=58.32kJ/mol（吸热反应），ΔS=0.476J/(mol·K)（熵增驱动），这些特征共同指向化学键合主导的吸附机制。

再生性能测试揭示了材料循环使用的潜力：经6次吸附-解吸循环后，吸附容量仍保持95%以上，解吸效率达98.7%。这主要归因于：1） amidoxime基团的可逆配位特性；2）三维交联结构对官能团的保护作用；3）NaOH解吸体系（pH12）的强去质子化能力。值得注意的是，在模拟海水（含2.3mg/L NaCl）中，材料仍能保持92%的吸附容量，显示出优异的环境适应性。

成本效益分析显示，该材料的生产成本仅为商业级吸附剂（如SBA-15）的1/5。合成工艺创新性地采用双步法：首先通过苯环亲核取代构建聚合物主链，再通过氨基肟化引入功能基团。这种策略避免了传统Scholl缩合反应的高能耗，同时通过多酚结构的协同效应增强了材料稳定性。

应用前景评估表明，PG-TCP-AO在海水铀回收方面具有显著优势。实验数据显示，在0.1mg/L铀浓度下，吸附剂对海水的穿透速率达0.35cm3/(min·g)，而再生后的材料性能恢复度超过98%。此外，材料对高竞争离子（如Ca2?、Mg2?）的选择性吸附系数（Kd=0.82）较传统氨基树脂提高4倍，这得益于氨基酮肟基团的空间位阻效应和电荷调控作用。

技术对比分析显示，该材料在关键性能指标上均优于近年报道的先进吸附剂：1）吸附容量（147.06mg/g）高于磷酸改性聚合物（120mg/g）和Schiff碱功能材料（85mg/g）；2）吸附速率常数（k=0.0173s?1）较同类材料快1.8倍；3）循环稳定性（6次循环后保持率95%）优于氨基氧化石墨烯（88%）和介孔硅胶（79%）。

环境效益评估表明，使用该吸附剂处理1吨放射性废水可减少铀污染82%，而再生过程产生的废液COD值低于200mg/L，符合排放标准。经济性测算显示，在海水提铀场景中，每吨铀回收成本可控制在$3200以内，较传统离子交换法降低67%。

研究团队通过跨学科合作（化学工程、材料科学、核环境安全），建立了从分子设计到工程应用的完整技术链。特别值得关注的是，他们开发的制备工艺（两步法）可将生产周期从常规的72小时缩短至24小时，同时通过原位表征技术（如在线FTIR）实现了合成过程的质量监控。

未来研究方向建议：1）开展规模化制备工艺优化，探索连续化生产技术；2）研究材料在复杂基质（如工业废水）中的长期稳定性；3）开发复合材料提升机械强度。该研究的突破性进展为核废水处理提供了新范式，其低成本、高稳定性和优异吸附性能使其具有产业化潜力，预计在5年内可实现海水铀回收工业化应用。