功能化单壁碳纳米管辅助去除水相介质中放射性钠离子：理论框架

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Functionalized single-walled carbon nanotubes-assisted removal of radioactive sodium ions from aqueous medium: A theoretical framework

　　

研究人员采用分子动力学（MD）模拟，系统研究了在羟基（?OH）、酰胺基（?CONH2）和羧酸根（?COO?）官能团功能化单壁碳纳米管（SWCNT）存在下，水相介质中放射性钠（Na+）离子的吸附机制。结果表明，上述表面功能化显著增强了SWCNT的吸附性能。在所研究体系中，?COO?功能化SWCNT表现出最强的表面结合，归一化密度分布中的明显峰以及?159.9415 kcal/mol的有利离子—表面相互作用能证明了这一点。研究人员计算并分析了Na+离子的自扩散系数（self-diffusion coefficient）。Na+迁移率降低，其扩散系数为0.176 × 10?9 m2/sec，进一步表明界面滞留增强。本研究从原子尺度揭示了Na+在功能化CNT上的吸附行为，证明其在去除核废物流中放射性钠方面具有应用潜力。这些发现为合理设计和优化用于高级废水处理与环境修复的功能化CNT基材料提供了理论基础。

《Journal of Hazardous Materials Advances》刊发的该论文聚焦快堆等核系统中钠（Na）作冷却剂时，经中子活化产生放射性钠同位素（如Na-24，半衰期约15小时，β^?衰变并释放高能γ射线）带来的水相放射性污染问题。传统金属离子分离依赖离子交换、电化学、吸附、萃取等方法，其中吸附因简单、低成本、高效受关注；碳纳米材料尤其单壁碳纳米管（SWCNT）比表面积大、孔结构好、热稳定性高，但裸SWCNT对Na⁺亲和力有限，且放射性Na实验受辐射安全限制，因此研究人员以分子动力学（MD）模拟为手段，建立原子尺度框架，考察?OH、?CONH₂、?COO^?三种亲水官能团如何调控SWCNT对Na⁺的吸附，并比较两种Na⁺浓度下的分布与扩散行为。结论上，?COO^?功能化SWCNT对Na⁺结合最强，离子—表面相互作用能达?159.9415 kcal/mol，Na⁺自扩散系数降至0.176 × 10^?9 m²/sec，说明界面滞留增强；该研究为核废料放射性Na⁺去除材料的理性设计提供理论支撑，并呼应SDG 6清洁饮水、SDG 3健康、SDG 12负责任生产消费与SDG 9产业创新等可持续发展目标。

作者所采用的关键技术方法主要包括：使用NAMD 2.9进行三维周期性边界条件下的经典分子动力学（MD）模拟；SWCNT及功能化结构先用GaussView 5.0构建、再用Gaussian 09于B3LYP/SDD水平几何优化；体系水模型采用TIP3P，力场采用OPLS-AA，Na⁺与硝酸根（NO₃^?）参数引自既有文献；通过伦纳德-琼斯（Lennard-Jones, LJ）与库仑势描述CNT—水、CNT—离子非键相互作用，并以归一化密度分布、离子—表面相互作用能、自扩散系数（self-diffusion coefficient）和不同Na⁺浓度下的空间分布来表征吸附与输运行为。无生物样本队列或实验样本来源。

1. 1.
   Introduction
   研究人员在引言中指出，工业废水与核系统均会带来金属离子污染；快堆用Na作冷却剂，Na-23经中子活化生成Na-24等放射性同位素，在水相中以水合Na⁺存在，构成废液与冷却剂泄漏的辐射风险。现有吸附剂里CNT有优势，但裸管对一价Na⁺选择性弱；表面功能化可引入静电吸引、范德华作用与π–π堆积来调控吸附。既往文献多关注Hg²⁺、Cd²⁺、UO₂²⁺等，放射性Na⁺体系少有研究，且放射性实验受安全制约，故用MD模拟填补分子层面空白。
2. 2.
   Model system and computational methods
   研究人员通过构建裸SWCNT与?OH、?CONH₂、?COO^?功能化SWCNT模型，采用OPLS-AA力场与TIP3P水模型，在NAMD中实施MD模拟；非键作用由LJ势与库仑势描述，Na⁺和NO₃^?采用文献参数。借助该计算框架，研究人员得以在原子尺度量化离子—表面作用、密度分布与扩散性质，为后续结果分析建立方法学基础。

研究结果部分：归一化密度分布显示?COO^?–CNT表面Na⁺峰最强，表明羧酸根负电基团对阳离子捕获最有

效；离子—表面相互作用能中?COO^?体系为?159.9415 kcal/mol，较?OH、?CONH₂与裸SWCNT更有利；自扩散系数结果表明?COO^?体系Na⁺为0.176 × 10^?9 m²/sec，迁移受限、界面滞留增强；两种Na⁺浓度比较显示浓度变化会改变近壁面离子分布但不改变官能团亲和顺序。总体结论是亲水电负性官能团尤其?COO^?可强化SWCNT对放射性Na⁺的截留。

讨论部分总结：研究人员将本文与前人重金属/CNT体系对照，指出羧酸根官能化在铀酰、Na⁺等阳离子吸附中的普适优势来自静电贡献；表面功能化在提升水相分散性的同时需保持可控回收性，亲水基团优于完全水溶化。论文把原子模拟结论外推到核废水处理材料设计，强调功能化SWCNT可作为放射性Na⁺去除的候选平台，并对SDG 6、SDG 3、SDG 12、SDG 9与SDG 14作出贡献。

结论部分翻译：本工作建立了一个原子尺度框架，阐明?OH、?CONH₂与?COO^?官能团如何调节Na⁺在SWCNT上的吸附。研究人员发现?COO^?功能化SWCNT具有最强表面结合、最有利离子—表面相互作用能与最低Na⁺自扩散系数，证明表面负电荷与亲水性共同促进放射性Na⁺的界面滞留。不同Na⁺浓度研究进一步刻画了离子空间组织特征。该理论框架为核废水中放射性钠离子的去除提供了分子级依据，并可指导用于水处理的官能化碳纳米管（CNT）材料的设计与优化。