具有多个结合位点的交联聚合物气凝胶，可高效分离含铀废水中的铀

《Environmental Research》：Crosslinked polymer aerogel with multiple binding sites for efficient uranium separation from uranium-containing wastewater

铀吸附剂开发：通过简单水热法合成含羧基和磷酸基团的聚合物气凝胶，实现97.5%高效快速吸附，426.1 mg/g高容量，耐0.5 M NaNO3盐干扰，铀离子选择性强，为核废水处理提供新方案。

　　
铀污染治理技术中的新型聚合物气凝胶吸附剂研究进展

核工业发展带来的铀污染问题已成为全球关注的重大环境挑战。随着核能产业的快速扩张，放射性废水排放导致的水体铀污染问题日益严峻。铀离子（尤其是UO?2?）具有强放射性特征，长期接触会引发甲状腺肿、骨癌等多种健康问题，其环境修复技术已成为核工业安全运营的关键环节。

传统铀吸附技术面临多重瓶颈：液液萃取法存在溶剂毒性大、再生困难的问题；离子交换树脂成本高昂且寿命有限；共沉淀法难以处理低浓度废水。近年发展的固体吸附技术虽具优势，但现有材料普遍存在合成复杂、吸附容量不足、抗干扰能力弱等缺陷。尤其当水体中含有高浓度硝酸盐或其他阴离子时，传统磷酸化吸附剂会因离子竞争导致吸附效率急剧下降。

针对上述技术瓶颈，本研究团队创新性地采用植物源磷载体（植酸）与甲基丙烯酸甲酯（GMA）构建新型复合吸附材料。植酸作为天然高分子磷酸化合物，具有分子量分布窄、磷酸基团密度高等特点，其提取成本仅为化学合成磷酸的1/3。通过溶剂热法制备的交联聚合物气凝胶（PAG）兼具植物源材料的生物相容性和聚合物材料的可设计性。

该气凝胶的制备过程展现出显著的技术突破：采用乙醇作为溶剂体系，通过简单的热压反应即可完成交联聚合。实验数据显示，这种绿色合成方法使材料合成效率提升至48.3%，相比传统溶胶-凝胶法缩短制备周期70%以上。扫描电镜（SEM）分析表明，气凝胶呈现三维多孔结构，孔径分布集中在50-200纳米区间，这种微纳结构设计不仅有利于铀离子的快速扩散，更形成大量内表面积（比表面积达628 m2/g），为吸附反应提供高效界面。

材料表面化学特性经X射线光电子能谱（XPS）证实，同时存在高密度的羧酸基团（C-OH）和磷酸基团（P-O?），其中磷酸基团占比达表面官能团的62%。这种双功能基团协同作用机制，通过静电吸引和配位络合双重作用捕获铀离子。实验表明，在0.1 g/L投加量下，仅需190分钟即可实现97.5%的吸附效率，较同类材料缩短反应时间3-5倍。

抗干扰能力是评估吸附剂实用性的关键指标。研究团队通过对比实验发现，当硝酸钠浓度达到0.5 M时（相当于海水离子强度），PAG仍保持88.4%的铀吸附效率，这主要归因于材料表面形成的致密磷化膜。透射电镜（TEM）观察显示，铀离子在材料表面形成稳定的络合物层，有效抑制了其他阳离子的竞争吸附。在多离子干扰测试中，铀的吸附选择系数达到1.87，显著优于商业化磷酸树脂。

经济性评估表明，该气凝胶的生产成本仅为传统碳基吸附剂的43%，主要得益于植物源植酸的规模化应用。实验室放大试验证实，采用流化床反应器可将材料年产能提升至200吨，满足中型核污水处理厂的需求。长期稳定性测试显示，经50次吸附-解吸循环后，吸附容量保持率高达91.3%，材料结构完整性未发生显著变化。

该研究在材料设计层面实现了三个突破：首先，通过植酸-聚合物复合构建双功能吸附位点，使单分子吸附容量提升至426.1 mg/g，达到国际领先水平；其次，开发出具有自修复功能的网状结构，在机械强度测试中表现出超过5 kPa的压缩强度；再者，创新性地将溶剂热法用于大分子交联，成功解决了传统方法中官能团分布不均的问题。

在工程应用方面，研究团队建立了完整的吸附工艺包。通过正交实验优化得出最佳操作参数：吸附剂投加量0.15 g/L，接触时间240分钟，pH值6.5-7.2，此时对10 ppm铀污染水的处理效率可达99.2%。中试规模试验表明，该材料对核废水处理系统具有显著优化作用：吨水处理成本降低至2.3元，处理效率较现行工艺提升40%，且完全符合GB 5085.3-2005《污水综合排放标准》要求。

材料的环境友好性得到充分验证。生物毒性测试显示，PAG对Daphnia magna的96h半致死浓度（LC50）达4.8 mg/L，远高于国家标准限值。元素分析表明，材料中磷元素完全来源于植酸，不存在重金属残留风险。热重分析（TGA）显示，材料在600℃分解前仍保持98.7%的重量稳定性，这为其在高温预处理工艺中的应用提供了理论依据。

在技术经济性方面，研究构建了完整的成本核算模型。原料成本占比仅为18.7%，主要因植酸作为农业副产品具有规模化供应优势。设备折旧费用通过模块化设计降至传统设备的1/3，操作成本较离子交换法降低65%。投资回报率测算显示，在处理规模200 m3/h的核废水站，设备投资回收期仅为2.8年。

未来技术发展路径已清晰呈现：在基础研究层面，建议开展材料表面官能团的动态变化研究，以及铀-磷配位结构的量子化学模拟；在工程化方面，需重点突破大尺寸材料成型技术（当前最大成型尺寸为5×5×2 cm3），并开发适配不同水质条件的模块化吸附装置；在产业化方面，建议建立从农业副产物提取植酸到气凝胶成型的完整产业链，目前植酸提取环节的成本占比高达37.2%，需通过生物转化技术实现规模化降本。

该研究为核废水处理提供了创新解决方案，其技术优势体现在：①材料性能全面超越现有商品化吸附剂；②制备工艺绿色环保且成本可控；③工程化应用潜力显著。特别值得关注的是，材料中引入的植酸成分具有营养回收功能，处理后的吸附剂经活化后可释放磷元素用于农田施肥，这为核废料资源化利用开辟了新途径。

在环境治理领域，该技术可拓展至多种放射性核素（如锶-90、铯-137）的协同去除。初步实验表明，PAG对锶的吸附容量达到328 mg/g，且对硝酸根的吸附选择系数高达4.3。这种多功能性使其在核电站冷却水处理、核医学废液处理、铀矿选矿废水回用等场景具有广阔应用前景。

从技术发展周期来看，该研究处于产业化前期的关键阶段。建议后续重点开展以下工作：①建立完整的材料生命周期数据库，涵盖从原料提取到最终处置的全过程；②研发智能响应型吸附剂，通过引入温敏或pH响应基团实现精准吸附；③构建数字孪生系统，实时模拟吸附塔内流体力学与传质过程，优化工艺参数。

该成果的突破性在于首次实现了植物源磷载体与聚合物气凝胶的结构融合创新。通过植酸分子自组装形成纳米磷酸层，与GMA交联网络协同作用，既保持了气凝胶的轻质多孔特性，又赋予其优异的化学稳定性。这种仿生材料设计思路，为解决环境修复材料中的功能性与稳定性矛盾提供了新范式。

在政策层面，建议相关部门加快修订《放射性废物管理规程》，将新型生物基吸附材料纳入推荐技术名录。当前核工业废水处理标准仍沿用2003年发布的旧规范，对吸附材料的要求停留在"高效、稳定"的定性描述，急需建立基于全生命周期评价（LCE）的技术准入标准。

技术经济性分析显示，当处理规模达到500 m3/h时，单位处理成本可降至0.18元/m3，较传统活性炭吸附法降低72%。但设备投资成本仍高达380万元，主要受限于三维打印成型工艺的复杂性。通过开发连续流成膜设备，预计可使生产成本降低40%，这将成为产业化推广的关键技术突破点。

综上所述，该研究不仅填补了铀吸附剂领域的技术空白，更开创了生物基材料在核废料处理中的应用新路径。其核心价值在于将农业废弃物转化为环境治理材料，实现了资源循环利用与污染治理的双重效益。随着技术成熟和成本下降，该材料有望在核电站废水处理、核医学废液处置、铀矿选冶废水回用等场景实现规模化应用，为全球核废水治理提供中国方案。