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广西大学王开拓团队：地质聚合物原位转化法制备高机械强度且耐辐照性能优异NaX分子筛微球及其对137Cs和90Sr吸附研究精选

已有 3962 次阅读 2025-7-7 09:35 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Yi M, Shao L, Cui X, et al. Synthesis of high mechanical strength and excellent radiation resistance NaX zeolite microspheres via geopolymer in-situ conversion and their adsorption study of ¹³⁷Cs and ⁹⁰Sr. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221123

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221123

ResearchGate：Synthesis of high mechanical strength and excellent radiation resistance NaX zeolite microspheres via geopolymer in-situ conversion and their adsorption study of 137 Cs and 90 Sr

1、导读

针对核废水中放射性核素（¹³⁷Cs和⁹⁰Sr）的修复，传统材料面临难以同时兼顾优异的吸附性能、高机械强度和耐辐照性的挑战。为此，广西大学王开拓副教授团队通过地质聚合物原位转化法在常压105 °C下成功制备出高强度NaX分子筛微球（GXU-NaXs），抗压强度达19.21 MPa。其对Cs⁺和Sr²⁺的最大饱和吸附量分别为138.30和153.60 mg·g^-1，经500 kGy辐照后仍保持98%的结构稳定性和吸附能力，并且在动态柱实验及复杂海水中仍具有良好的吸附效果，为放射性废水修复提供新方向。

2、研究背景

随着全球核能开发利用，核废水处理及放射性污染防控成为紧迫环境问题。¹³⁷Cs和⁹⁰Sr作为铀核裂变主要产物，半衰期分别达30.17和28.80年，其离子形式（Cs⁺/Sr²⁺）因高迁移性和生物毒性，易通过水文系统进入食物链，甚至引发 DNA损伤与癌变风险。当前放射性核素修复方法（如化学沉淀、离子交换、吸附法等）中，吸附法因操作简单、效率高成为研究热点，但普鲁士蓝、功能化碳材料等存在合成要求高、机械强度低、耐辐射性差等缺陷。分子筛具有较高的离子交换能力和一定耐辐射性，但其传统合成方法（水热/固相法）存在高温高压、相纯度低、形貌难控等问题，且粉末状分子筛在动态吸附中易造成高压降，限制实际工程应用。而现有球形分子筛制备依赖粘结剂造粒，易堵塞孔道降低性能。因此，开发一种兼具高机械强度、优异抗辐照性及高效吸附性能的球形分子筛合成技术，成为放射性污染治理领域的核心挑战。

地质聚合物是一类由硅铝酸盐前驱体碱活化形成的具有三维无定形网络结构的无机材料，兼具高机械强度、耐辐射性和环保制备优势。其类分子筛拓扑结构为温和条件（常压、105 °C）下原位转化为沸石提供基础，有望突破传统沸石合成的技术瓶颈，实现高性能NaX分子筛微球的绿色可控制备。

3、文章亮点

（1）在常压、105°C条件下，采用地质聚合物前体原位转化技术制备高强度NaX分子筛微球（GXU-NaXs），抗压强度达19.21 MPa。

（2）GXU-NaXs对Cs⁺/Sr²⁺具有较高的吸附速率，在20 min内对Cs⁺/Sr²⁺去除率＞90%，在30/45 min对Cs⁺/Sr²⁺的最大吸附容量分别为138.30/153.60 mg·g^-1。

（3）在流速6mL·min^-1流速下，GXU-NaXs对Cs⁺和Sr²⁺具有良好的动态吸附效果。

（4）经500 kGy γ辐照后，GXU-NaXs仍保持结构和强度稳定性，并且对Cs⁺和Sr²⁺的吸附容量仅下降4%左右，表明GXU-NaXs具有优异的耐辐照性能。

4、研究结果及结论

地聚合物浆料中n(SiO₂)/n(Al₂O₃)影响分子筛在结晶过程中的成核和生长。提高n(SiO₂)/n(Al₂O₃)使地聚合物浆料粘度增大，导致合成的GXU-NaXs粘结加剧、显著影响微球球形度。尽管抗压强度随比例增加而增加，但综合考虑微球球形度、晶相及强度，n(SiO₂)/n(Al₂O₃)=2.8为最优条件。（如图1所示）。

图1 不同n(SiO₂)/n(Al₂O₃)条件下(a/a₁: 1.8, b/b₁: 2.8, c/c₁: 3.8)GXU-NaXs的OM, SEM和XRD图(d)。

地质聚合反应中n(Na₂O)/n(Al₂O₃)对分子筛骨架的结构有显著影响，结合GXU-NaXs的球形度、XRD和强度，综合选择n(Na₂O)/n(Al₂O₃)=1.6为最佳条件（如图2所示）。

图2 不同n(Na₂O)/n(Al₂O₃)条件下(a/a₁: 1.4, b/b₁: 1.6, c/c₁: 1.8)GXU-NaXs的OM, SEM和XRD图(d)。

延长固化时间对GXU-NaXs的球形度影响较小，但显著影响微球的力学性能以及晶型生长。综合微球形貌、结晶相及强度指标，12小时为最优固化时间。（如图3所示）。

图3 不同养护时间下(a/a₁: 6, b/b₁: 12, c/c₁: 24 h)GXU-NaXs的OM, SEM和XRD图(d)。

GXU-NaXs对Cs⁺和Sr²⁺的平衡吸附量随离子平衡浓度升高而增加，直至活性位点饱和后趋于平衡。吸附过程受温度显著影响，升温导致吸附量下降。Langmuir模型拟合相关性优于Freundlich模型，证实其为单层吸附，298 K时对Sr²⁺和Cs⁺的最大吸附容量分别为153.60 mg·g^-1和138.30 mg·g^-1。同时通过D-R模型拟合得知其结合能均低于8 kJ·mol^-1，表明吸附同时存在物理吸附机制（如图4所示）。

图4 GXU-NaXs对Cs⁺和Sr²⁺的Langmuir、Freundlich (a, c)和D-R吸附等温线模型(b, d)拟合图。

SEM/TEM表征表明，GXU-NaXs吸附Cs⁺/Sr²⁺前后整体结构稳定，均保持明显X型特征且结构完整。能谱图显示Si、Al、O均匀分布，吸附后钠元素含量显著降低，同时检测到铯、锶元素富集，证实铯、锶元素成功吸附在GXU-NaXs表面，吸附机制为钠离子与铯/锶离子的交换反应（如图5所示）。

图5 GXU-NaXs吸附前(a)和吸附后（b: Cs, c: Sr）的SEM和TEM微观形貌和能谱图。

经500 KGy辐照后，不同养护时长（7/280d）的NaX分子筛块体的表面形貌均无显著变化，抗压强度基本维持不变。XRD证实仍存在NaX分子筛特征峰（PDF#38-0237），且对Cs⁺/Sr²⁺的吸附容量仅轻微下降。结果表明该材料具备优异辐照稳定性，适用于放射性废水处理。

图6 500 KGy辐照对NaX分子筛块体的微观形貌影响(a, b)，辐照后GXU-NaXs的抗压强度图(c)、XRD图(d)及辐照前后Cs⁺和Sr²⁺的吸附量对比图(e)。

5、作者及研究团队简介

易敏（第一作者），广西大学化学化工学院博士研究生。研究方向主要为地聚物分子筛微球材料的制备与应用。以第一作者身份在J. Hazard. Mater.、Sep. Purf. Technol.等期刊发表论文。

王开拓（通讯作者），广西大学资源环境与材料学院副教授，硕士生导师。主要研究方向为新型功能纳米吸附材料、地聚物基功能材料的制备及固体废弃物绿色开发综合利用。作为项目负责人主持国家自然科学基金青年基金，广西自然科学基金3项；以第一或通讯作者在J. Hazard. Mater.、Compos. Part B-Eng.、等期刊上发表SCI论文30篇，1篇入选ESI高被引论文，H因子为36；授权发明专利7项。

个人主页：https://www.researchgate.net/profile/Kaituo-Wang-2

邮箱：wangkaituo@gxu.edu.cn

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。