铀是核能不可或缺的资源,是极少数不产生温室气体的绿色能源之一。然而,由于铀的开采和提炼过程会产生放射性污染,其积累对生物的有害影响导致了严重的环境挑战。因此,以简便的方式从受污染的水中提取铀至关重要。吸附法因其操作简便、成本低廉且有效成为铀提取最常用的方法之一,其关键在于吸附剂的设计。然而,传统的吸附剂(如聚合物纤维、聚合物水凝胶和多孔材料)受被动离子传输的限制,吸附动力学和吸附容量较低。此外,大多数吸附剂在铀提取过程中需要对溶液进行化学预处理(如pH调节),可能会造成二次污染。因此,开发具有主动离子传输和局部pH调节功能的先进铀吸附剂对于快速铀去除至关重要。
近年来,能够将环境能量转化为自主运动的微/纳米马达(MNMs)在环境修复方面显示出巨大的潜力。MNMs的主动运动可以促进污染物和吸附剂的混合,从而加快处理效率。但目前现有的MNMs提取铀时仍然存在处理范围较短(静电吸引或短程电泳)和无法避免的二次污染。因此,迫切需要具有自主移动、主动泵送铀酰离子和自主pH调节的智能MNMs来解决上述问题。
近日,华中科技大学化学与化工学院瞿金平院士/牛冉研究员团队在《Journal of Hazardous Materials》杂志在线发表了题为“Ion-exchange induced multiple effects to promote uranium uptake from nonmarine water by micromotors”的研究文章。他们设计了一种由磁性离子交换树脂和吸附剂组成的自驱动模块化微纳马达,可用于动态去除非海洋水中的铀。利用可循环离子交换树脂建立的长程pH梯度和电泳流,磁性Fe3O4纳米粒子赋予材料磁回收性能。该模块化微纳马达对铀的吸附速度快,在30 ppm的铀溶液中,10 min内可达到629.3 mg g-1的吸附量,并且具有良好的可重复利用性。数值模拟结果证实,流场和电场加速了铀向吸附剂的扩散。此外,他们验证了在实际铀污染水体中,该微反应器可以将低浓度铀降至10 ppb左右,远低于世界卫生组织(WHO)的饮用水标准(30 ppb)。最后,他们通过构建一个自主闭环微型装置来进一步证明该模块化微纳马达处理铀污染水体的可扩展性,该装置可以连续从受污染的水体中去除铀,验证了其在未来工业应用中的潜力。论文第一作者为华中科技大学化学与化工学院2023级博士研究生付琳慧,论文通讯作者为华中科技大学化学与化工学院牛冉研究员,论文作者还包括华中科技大学瞿金平院士、龚江教授。该研究得到国家自然科学基金的资助。
全文链接:
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.136464
作者简介:
牛冉,华中科技大学化学与化工学院研究员、博士生导师、国家重点研发计划青年项目首席科学家,主要研究领域为功能高分子材料及微纳米机器人。目前以第一或通讯作者身份在PRL、PNAS、Sci. Adv.、ACS Nano、Adv. Sci., Small、Chem. Eng. J.、J. Hazard. Mater.、J. Mater. Chem. A、Energy Environ. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces等具有重要影响力的国际刊物上发表SCI论文70余篇,获授权专利5项,申请专利7项。主持承担国家自然科学基金、重点研发计划青年科学家项目、重点研发计划子课题等国家和省部级科技项目多项,并获得湖北省海外高层次人才计划、武汉英才等多项荣誉奖励。担任Rare Metals期刊 (中科院1区,影响因子6.3),Exploration、Energy Materials和Green Carbon期刊青年编委。
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