希腊沸石对水溶液中铯(Cs)和铀(U)的吸附特性探索及其在核废料管理中的应用

本研究针对核废料中放射性元素Cs和U的水污染治理难题，系统评估了希腊天然沸石的吸附性能。通过调控pH、粒径及Si/Al比等参数，发现Evros地区沸石对Cs(48.1-106.4 mg g-1 )和U(37.8-190.1 mg g-1 )具有优异吸附能力，XRD/SEM-EDS表征揭示其性能与CEC（阳离子交换容量）正相关。该成果为低成本环境修复材料开发提供新思路。

　　

放射性元素铯(Cs)和铀(U)的污染问题如同悬在人类头顶的"达摩克利斯之剑"。1986年切尔诺贝利事故中，放射性Cs-137（半衰期t_1/2
=30.17年）通过食物链富集导致数千平方公里土地荒废；而铀矿开采区周边，可溶性UO₂
²⁺
的迁移更造成长期生态威胁。传统处理方法如化学沉淀法成本高昂，离子交换树脂易饱和失效。在此背景下，希腊研究人员将目光投向天然沸石——这种具有规则微孔结构（孔径d_pore
<2 nm）的铝硅酸盐矿物，曾在福岛核事故中用于应急处理，但其性能调控机制仍不明确。

来自希腊的研究团队在《Applied Radiation and Isotopes》发表的研究中，系统考察了Evros地区三种沸石（Petrota、Pentalofos、Metaxades）的吸附特性。通过X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)等技术证实所有样品均为HEU型沸石（国际沸石协会代码），其典型衍射峰出现在2θ=9.9°（020晶面）和22.4°（400晶面）。研究创新性地将粒径分级（<50 μm至250-500 μm）与化学组成关联分析，发现<50 μm颗粒的Cs吸附量可达106.4 mg g^-1
，远超商用活性炭（约20 mg g^-1
）。

关键技术方法
研究采用批量吸附实验（浓度25-1000 mg/L，pH 2-8），结合零点电荷pH_pzc
测定和竞争离子实验。通过电感耦合等离子体光谱(ICP)分析溶液浓度变化，采用SEM-EDS（扫描电镜-能谱联用）观察元素分布。样品来自希腊Evros地区三个矿区，经粉碎筛分获得不同粒径组。

研究结果

Zeolite characterization
XRD显示三地沸石均为HEU型，但Petrota样品在2θ=30.1°处的峰强度显著更高，对应其更大的晶胞体积（1.42 nm³
）。FTIR在1040 cm^-1
处的Si-O-Si振动峰强度与Si/Al比呈正相关，其中Pentalofos样品Si/Al达4.7，其U吸附量达190.1 mg g^-1
。

Sorption experiments
竞争离子实验表明Na⁺
对Cs吸附的抑制率达63%，而CO₃
^2-
会与UO₂
²⁺
形成络合物降低吸附。Langmuir模型拟合显示MTX沸石对Cs的饱和吸附量Q_max
=98.3 mg g^-1
，高于PNT样品（76.2 mg g^-1
）。

Conclusions
研究证实沸石吸附性能受三重机制调控：① 离子交换（CEC达2.1 meq/g）；② 表面络合（Si-OH与UO₂
²⁺
结合）；③ 分子筛效应（微孔截留）。特别值得注意的是，当Si/Al比>4.5时，U吸附量出现突变增长，这与其骨架负电荷密度降低直接相关。该发现为设计核废料屏障材料提供了明确参数：优选粒径<100 μm、Si/Al比4-5的HEU型沸石。

这项研究的意义不仅在于验证了希腊天然沸石的实用价值，更建立了"组成-结构-性能"的定量关系模型。相比合成沸石（成本500?800/吨），这些天然材料（50-100/吨）的经济性使其在发展中国家核设施周边治理中具有独特优势。未来研究可进一步探索沸石-微生物耦合体系对放射性核素的长期固定效果。