磷酸功能化水凝胶在酸性多元素溶液中高效选择性吸附铀的响应面优化研究

为解决核废水中铀选择性吸附难题，研究人员通过响应面法(RSM)优化合成磷酸功能化聚丙烯酸-丙烯酰胺共聚水凝胶(p(AA-co-Am)-PA)，在pH=2的酸性多离子溶液中实现85%铀去除率和优异选择性，为核废水处理提供新型高效吸附材料。

　　

随着全球核能需求的增长，铀矿开采和核废料处理带来的环境污染问题日益严峻。传统铀提取技术如离子交换和溶剂萃取在复杂废水体系中面临选择性差、成本高等瓶颈，特别是酸性核废水中大量共存离子（如Al³⁺、Mg²⁺等）会严重干扰铀吸附效率。水凝胶材料虽具有三维网络结构和可修饰特性，但现有氮/氧基团功能化材料在酸性条件下易质子化失活，亟需开发新型靶向吸附剂。

核燃料循环研究学院（Nuclear Fuel Cycle Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute）的Zahra Rafiei-Sarmazdeh团队在《Journal of Hazardous Materials Advances》发表研究，通过响应面法(RSM)优化设计磷酸功能化水凝胶，成功突破酸性环境中铀选择性吸附的技术瓶颈。研究人员采用中心复合设计(CCD)优化水凝胶合成参数，系统考察引发剂/交联剂浓度、单体比例和含水量对吸附性能的影响，并通过磷酸(PA)、磷酸三甲酯(TMP)等磷化合物功能化提升选择性。

关键技术包括：1) 响应面法优化水凝胶合成工艺参数；2) 羰基二咪唑(CDI)活化羧基实现磷酸基团共价嫁接；3) 多离子竞争吸附实验模拟实际核废水环境；4) FTIR和TGA表征材料稳定性；5) 盐酸洗脱评估材料循环使用性能。

3.1 RSM建模

通过17组实验建立二次多项式模型，确定最佳合成条件为：引发剂/交联剂含量0.88 mol%、丙烯酸/丙烯酰胺摩尔比6.99、含水量75 vol%，预测铀吸附率达87.6%。方差分析显示单体比例对吸附性能影响最大(F=37.55)，过量交联剂会降低孔隙率导致容量下降。

3.2 pH效应

未功能化水凝胶在pH=5时吸附容量达333.8 mg/g，但在pH=2时下降20%。磷酸功能化后，p(AA-co-Am)-PA在强酸性条件下仍保持85%以上去除率，FTIR证实磷酸基团与UO₂²⁺形成稳定O=U=O键合（916 cm^-1特征峰）。

3.3 靶向性能

在多离子模拟废水中，p(AA-co-Am)-PA-0.4对铀的选择性系数显著高于其他金属离子，吸附剂/溶液质量比1:83时实现85%铀去除。磷酸基团通过P=O双齿配位模拟工业PUREX流程的铀萃取机制，有效抑制竞争离子干扰。

3.4 循环性能

0.1 M盐酸洗脱后，材料经4次循环仍保持90%以上吸附效率，TGA显示吸附后水凝胶含30%铀残留，证明其优异的热稳定性和铀固定能力。

该研究创新性地将统计实验设计与功能化改性相结合，开发的p(AA-co-Am)-PA水凝胶在三个方面具有突破性意义：1) 通过RSM优化使吸附容量较传统方法提升20%；2) 磷酸基团赋予材料在pH=2下的稳定选择性，克服羧基材料质子化缺陷；3) 30%铀残留量的热稳定性为放射性废物固化提供新思路。相比现有 amidoxime 改性材料，该水凝胶在酸性实际废水中的适用性更突出，为核燃料循环中的铀回收提供了兼具高效性和经济性的解决方案。未来研究可进一步探索材料在流动床反应器中的动态吸附性能，以及与其他处理技术的联用方案。