PVDF封装MXene衍生钛酸钠复合微球在固定床中高效捕获放射性铯的应用研究

针对核废液中放射性铯（13?Cs）污染治理难题，研究者创新性开发了Ti3C2Tx MXene衍生钛酸钠（MST）/PVDF复合微球。通过连续固定床吸附实验证实，该材料在pH 7、35°C条件下对铯的吸附容量高达125.88 mg/g，远超现有柱系统性能。其优异性能源于多孔结构、高比表面积及表面官能团介导的Na?/H?-Cs?离子交换-静电协同机制，为放射性废水规模化处理提供关键技术支撑。

　　

论文解读：

随着福岛核事故遗留废水排放计划推进，放射性铯（13?Cs）对水生态环境的长期威胁引发全球关注。这种半衰期达30年的核素具有强迁移性和生物累积性，传统粉体吸附剂因回收困难、易造成二次污染等缺陷，难以满足实际工程需求。为此，韩国研究人员在《Journal of Water Process Engineering》发表突破性研究，通过创新材料设计与工艺优化，开发出兼具高吸附性能与工程适用性的核废水处理新材料。

研究团队采用三步关键技术：首先以温和蚀刻剂NH₄HF₂处理Ti₃AlC₂前体制备Ti₃C₂T_x MXene（二维过渡金属碳化物）；经原位碱化氧化合成钛酸钠（MST）；最后通过相转化法将MST封装于聚偏氟乙烯（PVDF）形成毫米级微球。系统表征结合连续固定床实验，全面评估了材料在动态条件下的铯吸附性能。

表征分析
SEM-EDX显示（图1）：MXene经水热转化后形成1-2μm绒球状分级微球（图1b-c），PVDF封装形成多孔微球结构（图1d-f）。BET测试证实材料具有高比表面积（27.35 m2/g）和丰富介孔结构。XPS分析揭示表面富含-OH、-O等官能团，为离子交换提供活性位点。

固定床吸附性能
在优化条件下（pH 7, 35°C, 床高10cm）：

1. 吸附容量：100 mg/L铯浓度时达125.88 mg/g，较文献报道柱系统提高47%
2. 流率影响：0.5 mL/min时穿透时间最长，流速增至1.5 mL/min时容量下降37%
3. 竞争离子：Na?共存时吸附量降低29%，证明Na?/Cs?离子交换主导过程
4. 模型拟合：Thomas和Yoon-Nelson模型相关系数R2>0.98，表明吸附受表面反应控制

作用机制
同步发生双重作用：

1. 离子交换：材料中Na?/H?与Cs?发生化学计量置换（EDX证实吸附后Na信号减弱）
2. 静电吸引：MXene衍生物表面负电荷（Zeta电位-32.1 mV）强力捕获Cs?

结论与意义
本研究成功开发出MST/PVDF复合微球，其创新价值体现在：

1. 材料优势：温和蚀刻工艺避免强酸/强碱污染，PVDF封装解决粉体流失难题
2. 性能突破：125.88 mg/g吸附容量创柱系统新高，穿透曲线显示优异动力学特性
3. 工程价值：微球形态杜绝固定床堵塞，PVDF的耐辐射性（>100 kGy）保障系统稳定性
   该材料为福岛核废水等大规模放射性污染治理提供兼具高效益与工程可行性的解决方案，相关成果已引起国际核环境修复领域高度关注。