综述：用于从水系统中去除铀的吸附剂的进展

《Journal of Environmental Radioactivity》：Advances in sorbents for the removal of uranium from aqueous systems

　　摘要
铀是一种以显著化学毒性和相对较低的辐射风险而闻名的元素。它对环境和健康构成威胁，尤其是在铀矿开采普遍存在的国家，如哈萨克斯坦。在开采、加工和废物管理过程中，这些元素可能会渗入各种水源，因此需要采用有效的处置方法。已经开发出多种铀修复技术。其中，吸附法因其高效性、操作简便性、经济性和较低的后污染风险而特别有前景。近年来，人们对先进纳米吸附剂作为新一代吸附剂的研究兴趣日益增加。MXenes、金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）因具有较大的表面积、可调节的孔结构、众多的功能团以及对U(VI)的强亲和力而备受关注。这些材料即使在复杂的水环境中也能提高吸附能力。持续的研究对于开发有效的、可持续的、可扩展的铀处置解决方案至关重要，以保护水资源并提高铀资源丰富地区的环境安全性。本文综述了与铀相关的环境挑战，并强调了先进吸附剂在从水系统中去除铀方面的关键作用。

引言
铀是一种以其化学毒性和放射性危害而著称的元素（Xiong等，2025年）。虽然铀有17种同位素，但只有238U、235U和234U是自然界中自然存在且常见的。235U和238U由于半衰期长而长期存在于自然界中，而234U则是238U放射性衰变的结果（Van Gerwen等，2020年；Ighalo等，2024年）。铀具有亲岩性，倾向于留在地球表面并与氧形成强键（Smedley和Kinniburgh，2023年）。它广泛分布于地壳中，浓度通常为2-4毫克/千克，并与褐铀矿、大卫石、科菲矿、硫铜铀矿和沥青铀矿等矿物相关（Zhao等，2023年）。铀存在于碳酸盐、氧化物、磷酸盐、硅酸盐和钒酸盐等矿物中。可通过粉碎矿石并用硫酸或硝酸等氧化剂及碳酸钠浸出提取铀，随后利用三烷基胺、三丁基磷酸酯或三辛基膦氧化物等有机萃取剂从浸出液中回收铀（Helal等，2025年）。铀天然存在于土壤、岩石、矿物和水中，但也会通过人类活动（如磷酸盐肥料的使用、采矿废物、发电厂的飞灰以及某些军事操作）进入环境（Smedley和Kinniburgh，2023年）。地下水和地表水中的铀浓度取决于受pH值、水成分和温度影响的浸出过程。铀的氧化还原化学性质复杂，因为它存在于多种氧化态。表1展示了水中铀离子的颜色和稳定性（Helal等，2025年）。在表面环境中，铀主要以U(IV)和U(VI)的形式存在。U(IV)毒性较低且通常因强烈吸附在矿物表面和有机物上而移动性较差，而U(VI)具有高度毒性且移动性强，对地下水构成严重威胁（Liu等，2025年）。了解水中的铀化学性质对于从废水中去除铀至关重要。在pH值高达4的情况下，六价铀以铀酰离子（UO22+）的形式存在；pH值超过4时，铀酰离子与氢氧根（OH?）和碳酸根（CO32?）反应，形成多种离子物种，包括[UO2(OH)]+、[UO2(OH)2]、[UO2(OH)3]-、[UO2(OH)4]2-，以及多核复合物[(UO2)3(OH)]5+和[(UO2)3(OH)]-，还有碳酸盐复合物如[UO2CO3]、[UO2(CO3)2]2-、[UO2(CO3)3]-，以及混合中性物种[(UO2)2CO3(OH)3]（Katsoyiannis和Zouboulis，2013年；Verma和Kim，2022年）。铀通过自然过程在整个生态系统中迁移，包括人类食物链（Ighalo等，2024年）。此外，人类活动（如矿物勘探、采矿、工业过程、燃烧化石燃料和城市废物处理）也会增加环境中的铀浓度（有毒物质与疾病登记局；Liesch等，2015年）。铀具有放射毒性和重金属毒性的风险。其化学毒性可损害肾脏、肝脏、生殖器官和骨骼，而放射毒性主要影响肺部、骨骼和中枢神经系统（Thakur等，2022年；Mei等，2023年）。这种物质在骨骼中的停留时间约为200天，增加了辐射暴露风险。由于肾脏和肝脏的血流量较大，这些器官特别容易受到化学毒性的影响（Haneklaus等，2021年）。美国环保署规定饮用水中铀的最大含量为30 ppb（美国环境保护署，无日期）。世界卫生组织根据毒理学研究，为可溶性铀制定了每日可接受摄入量（TDI）为0.6微克/千克体重（有毒物质与疾病登记局）。因此，加强对环境中铀问题的关注对于降低这些风险至关重要。哈萨克斯坦是全球最大的铀生产国（Helal等，2025年）。主要资源集中在六个地区，这些地区被划分为大省份：舒-萨雷苏、锡尔达里亚、北哈萨克斯坦、里海沿岸、普里巴尔卡什和伊利。哈萨克斯坦南部的大部分矿山，包括舒-萨雷苏和锡尔达里亚矿区，通常位于河流附近。国家原子能公司（Kazatomprom）是原位回收铀开采的全球领导者，2024年产量为23.3万吨（其中12.3万吨为自身生产），约占全球铀产量的21%（Kazatomprom，无日期）。Kazatomprom仅使用原位浸出法提取铀，这种方法对环境影响小且产生的废物很少（Yussupov等，2025年；Berkinbayeva等，2023年）。然而，该过程会产生活性和残留的浸出液，这些液体留在含水层中，具有高酸度或碱性，并含有高浓度的铀以及其他元素（如硒、钒、钨和钼（Bakhtin等，2025年；Sydykov等，2025年）。这些采矿活动可能对环境产生影响，尤其可能影响水质和附近生态系统。Solodukhin等（2015年）、Solodukhin和Djenbaev（2018年）以及Severinenko M等（2023a）在研究哈萨克斯坦跨界河流时指出，该国南部地区的地表水中铀浓度较高（见图1）。总体而言，埃梅尔河、舒河尤其是卡拉巴尔塔河中的铀活性浓度较高。埃梅尔河中的238U和234U浓度分别为165 mBq/L和268 mBq/L；舒河分别为287 mBq/L和369 mBq/L；卡拉巴尔塔河分别为465 mBq/L和647 mBq/L。此外，在与哈萨克斯坦共享河流流域的吉尔吉斯斯坦境内还存在多处放射性危险设施，包括Ak-Tyuz和Kamyshanovskoye矿床以及Kara-Balta铀加工厂。Ak-Tyuz和Kara-Balta的尾矿储存场含有高浓度的天然放射性核素和有毒元素。1964年，Ak-Tyuz尾矿坝发生故障，导致放射性废物流入Kichi-Kemin河，可能增加了该地区的铀含量（Solodukhin和Poznyak，2015年；Solodukhin等，2019年、2020a、2020b）。以往的研究利用234U/238U活度比来研究铀的来源。由于天然水体中的234U/238U比值通常大于1，活度比值向平衡值（234U/238U ≈ 1.00）转变可能表明人类活动（包括铀矿开采和磷酸盐肥料）是其来源（Z. Liu等，2025年；Severinenko等，2023b）。Krasnopyorova等（2025年）详细分析了2023年阿拉木图饮用水的元素组成，重点关注公共卫生风险。铀被归类为第二组元素，还包括钾、钙和钡，这些元素主要来自天然来源。其浓度在某些监测点介于8.0微克/升到18.6微克/升之间。尽管有些浓度超标，但并未超过世界卫生组织的30微克/升指南值（有毒物质与疾病登记局）。值得注意的是，哈萨克斯坦的法规文件并未规定饮用水中铀的最高允许浓度（Adilet，无日期）。作者指出，铀的含量仍在国际标准范围内，但其持续性存在及其对污染指数的显著贡献需要当局继续关注。Medeshova等（2025年）的研究首次发现了哈萨克斯坦地下水中的铀。数据显示，该国地下水中铀的浓度范围为4.8 × 10^-6至78毫克/升。区域背景浓度约为13微克/升，高于17微克的水平被视为异常。最高的铀浓度通常出现在矿化区氧化带的酸性地下水中，如卡米绍沃耶（Kamyshovoye）、维克托夫斯科耶（Viktorovskoye）、阿拜斯科耶（Abayskoye）和朱桑达尔斯科耶（Dzhusandalinskoye）矿区。靠近矿床的中性地下水中铀含量通常为0.1-10毫克/升。在沉积区之外，铀浓度显著降低，通常降至约0.1毫克/升。研究还指出，在有利的水文地质条件下，即使在远离已知矿床的地方也能检测到铀，这是由于化学迁移和复杂作用使地下水富集铀的结果。因此，该国的一些水体中的铀含量较高，凸显了有效、环境安全的修复技术的重要性。本研究回顾了用于去除受污染水中铀的“绿色”方法和环保吸附剂。

**部分摘录**
**吸附法作为一种有效的铀去除方法**
多种修复方法，包括吸附、离子交换、膜过滤、光催化、固相萃取以及生物和电化学处理，都被用于消除和回收有害放射性核素（Guilhen等，2021年；Dutta等，2025年；Zhu等，2024年；Shi等，2020年；Kumar等，2022年）。基于膜的处理方法有效但成本较高。萃取技术可以快速高效地去除铀，但成本较高且可能存在...

**天然吸附剂**
在许多研究中，天然吸附剂因易于获取、环保且具有强吸附能力而被广泛用于从受污染水中去除铀（Sakr等，2022年）。沸石，特别是斜发沸石，被认为是从受污染水中去除放射性核素的环保吸附剂。研究表明，斜发沸石中的Si/Al比例对其吸附能力有显著影响，当Si/Al比例为5.0时...

**挑战与未来研究方向**
未来的研究将主要集中在MXenes上，这是一种新开发的二维材料，旨在从水中提取铀。MXenes的层状结构、亲水性和多种表面功能团使其能够快速吸附并高效率地吸收U(VI)，其吸附能力通常超过常见吸附剂。MXenes的化学和放射稳定性使其成为废水处理的理想材料。

**总结与展望**
从水环境中去除铀不仅是哈萨克斯坦面临的重要生态和技术挑战，也是许多铀矿开采国家所面临的问题。这会导致长期的水污染。在净化方法中，吸附法因高效、便捷、低成本和环境安全性而被优先考虑。本文综述了铀吸附领域的最新进展，重点介绍了新兴的纳米吸附剂，如COFs和MOFs...

**作者贡献声明**
Saulet Ydyrysheva：负责撰写初稿、可视化处理、方法论设计和概念构思。
Makhabbat Kunarbekova：负责修订和编辑、监督工作。
Svetlana Lennik：负责可视化处理和监督工作。
Jechan Lee：负责修订和编辑、监督工作以及项目管理工作。
Seitkhan Azat：负责修订和编辑、监督工作以及项目管理工作。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

Satbayev大学
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