用于锶吸附、再生和固定的沸石微球的合成与性能研究

《Microporous and Mesoporous Materials》：Synthesis and Performance of Zeolite Microspheres for Strontium Adsorption, Regeneration, and Immobilization

锶吸附、微球、3D多孔结构、高岭土、交联固定化、Langmuir等温模型、循环再生、放射性废水处理、钠alginate、钙离子交联

　　本文围绕一种新型吸附材料——三维多孔结构的沸石微球（ZMSs）的制备与应用展开。该材料旨在高效去除放射性废水中的锶离子（Sr2?），尤其是在处理高盐度废水中表现出显著优势。研究人员通过将天然矿物高岭土转化为沸石4A（Z4A），并结合天然生物聚合物海藻酸钠（SA）与丙烯酰胺（AM）和丙烯酸（AA）的交联作用，成功构建了具有三维网络结构的沸石微球。该材料不仅具备优异的Sr2?吸附性能，还展现出良好的可回收性、稳定性和操作便利性，为工业级处理提供了新的可能性。

锶离子作为一种重要的放射性污染物，尤其在核能生产过程中，其存在对环境和人类健康构成严重威胁。由于锶的化学性质与钙相似，它容易在人体内积累，特别是在骨骼中，取代钙的位置，从而影响骨骼结构和骨髓造血组织，增加患白血病和癌症的风险。因此，开发高效、安全、环保的Sr2?去除技术，成为当前研究的重要方向。传统方法如化学沉淀、溶剂萃取、膜分离等虽各有优势，但均存在一定的局限性，如处理成本高、操作复杂、易产生二次污染或难以实现连续化处理等。相比之下，吸附分离技术因其高效性、经济性和简便性，逐渐成为研究的热点。

本文中所提到的沸石4A是一种具有优异吸附性能的无机材料，其结构特点使其在去除Sr2?方面表现出色。沸石4A具有独特的三维8×8×8 MR孔道结构，孔径约为0.4纳米，这种结构不仅赋予了材料较大的比表面积，还增强了其对Sr2?的选择性吸附能力。此外，沸石4A还具有良好的热稳定性和抗辐射性，这使其在处理放射性废水时更具优势。然而，传统的纳米级沸石吸附材料通常以粉末形式存在，这导致在实际应用中面临溶解损失和固液分离困难的问题，进而影响其大规模应用的可行性。

为了解决上述问题，研究人员提出了一种创新的方法，将纳米级沸石4A与海藻酸钠结合，通过氢键作用和聚合过程，构建出具有三维网络结构的沸石微球。这一设计不仅克服了传统粉末沸石在吸附实验中可能遇到的溶解和分离难题，还显著提升了材料的机械强度。微球的结构使其在吸附柱中能够形成稳定的床层，从而实现连续的吸附和解吸操作。同时，该材料在多种条件下的吸附性能也得到了验证，表明其在实际应用中具有较高的灵活性和适应性。

实验结果显示，所制备的ZMSs在pH值为3至8的范围内表现出良好的吸附性能，这说明其在大多数水体环境中都能有效工作。静态吸附实验表明，ZMSs的饱和吸附容量达到51.6 mg/g，这一数值表明其具有较高的吸附能力。此外，吸附过程的快速性也得到了体现，吸附容量在1小时内即可达到平衡吸附容量的89.5%，显示出材料在实际应用中具备快速响应的能力。在动态吸附实验中，ZMSs在处理含有100 mg/L Sr2?的高盐度废水时，表现出良好的吸附效率，其5%的穿透点对应于668 mL的流出液，说明其在连续操作中具有较高的处理能力。

材料的可回收性也是其重要特性之一。在使用0.02 M EDTA-2Na作为解吸剂的情况下，ZMSs在五次循环后仍能保持58.73%的回收率，这表明其不仅在单次吸附过程中表现优异，而且在长期使用中也具有良好的稳定性。这种高回收率对于降低处理成本和减少材料浪费具有重要意义，特别是在需要长期运行的废水处理系统中。

此外，研究人员还对ZMSs的化学稳定性进行了评估。通过测试不同浸出液对ZMSs陶瓷材料的影响，发现其在1100°C烧结后的抗浸出性能表现出显著的差异。其中，0.1 M HCl的浸出率最高，其次是0.1 M NaOH，0.1 M NaCl和水的浸出率相对较低。这一结果表明，ZMSs在酸性或碱性环境中可能会有一定程度的释放，但在常规水环境中表现出较好的稳定性。因此，在实际应用中，应根据具体的废水pH值和化学成分，选择合适的处理条件，以确保材料的稳定性和吸附性能。

从材料的结构角度来看，ZMSs的三维多孔网络为离子传输提供了便利的通道，使其在吸附过程中能够迅速与Sr2?接触并发生作用。同时，这种结构也有助于提高吸附容量，因为更多的孔道意味着更大的表面积，从而增加了吸附位点的数量。此外，ZMSs的表面特征也值得关注，其表面较为光滑，但分布着大量的孔洞和通道，这些结构有助于提高材料的吸附效率，使其在复杂的水环境中依然能够保持良好的性能。

在制备过程中，研究人员采用了一种较为温和的合成方法，将高岭土在700°C下进行煅烧，生成了具有较高活性的偏高岭土（metakaolin）。随后，通过与3.25 mol/L的NaOH溶液反应，形成了初步的Z4A晶体。这一过程不仅保证了材料的纯度，还为后续的微球构建提供了良好的基础。通过氢键作用和聚合过程，将Z4A与SA结合，并进一步与AM和AA交联，最终形成了具有三维网络结构的ZMSs。

材料的表征分析表明，ZMSs的结构和化学性质得到了充分的验证。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，ZMSs呈现出规则的球形结构，直径约为1.5 mm，这种尺寸设计使其在吸附柱中能够形成稳定的床层，有利于连续操作。此外，SEM图像还显示，ZMSs的表面具有丰富的孔道和通道，这些结构有助于提高材料的吸附效率。热重分析（TG）进一步证明了ZMSs在高温下的稳定性，这为其在工业应用中的耐久性提供了支持。

在吸附行为的研究中，研究人员采用了批次吸附实验和固定床柱实验相结合的方法，全面评估了ZMSs的吸附性能。批次实验主要关注吸附容量和吸附速率，而固定床柱实验则更侧重于材料在实际操作条件下的表现。实验结果表明，ZMSs不仅在静态条件下表现出较高的吸附容量，而且在动态条件下也能保持良好的吸附性能。这种双重验证确保了材料在不同应用场景下的可靠性。

从应用角度来看，ZMSs的制备方法为大规模处理提供了可行的路径。传统的纳米级沸石材料由于其粉末形态，难以在实际操作中实现连续化处理，而ZMSs的微球结构则解决了这一问题。通过将材料填充到吸附柱中，可以实现连续的吸附和解吸过程，提高处理效率。此外，ZMSs的可回收性也为其在实际应用中提供了经济上的优势，减少了材料的消耗和更换频率。

综上所述，本文的研究成果为处理放射性废水中的Sr2?提供了一种新型、高效的吸附材料。ZMSs不仅具备优异的吸附性能，还具有良好的机械强度、可回收性和化学稳定性，使其在实际应用中具备广阔的前景。随着对放射性污染物处理需求的不断增长，ZMSs的开发和应用将为环境保护和工业可持续发展做出重要贡献。未来的研究可以进一步探索该材料在不同废水类型中的适应性，以及如何优化其合成工艺以提高吸附效率和降低成本。此外，还可以考虑将ZMSs与其他吸附材料或技术相结合，以实现更全面的污染物去除效果。