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瞿金平院士華科大團(tuán)隊(duì)牛冉研究員 J. Hazard. Mater.:離子交換誘導(dǎo)多種效應(yīng)促進(jìn)微馬達(dá)從非海水體系中去除鈾
2024-11-26  來(lái)源:高分子科技

  鈾是核能不可或缺的資源,是極少數(shù)不產(chǎn)生溫室氣體的綠色能源之一。然而,由于鈾的開(kāi)采和提煉過(guò)程會(huì)產(chǎn)生放射性污染,其積累對(duì)生物的有害影響導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境挑戰(zhàn)。因此,以簡(jiǎn)便的方式從受污染的水中提取鈾至關(guān)重要。吸附法因其操作簡(jiǎn)便、成本低廉且有效成為鈾提取最常用的方法之一,其關(guān)鍵在于吸附劑的設(shè)計(jì)。然而,傳統(tǒng)的吸附劑(如聚合物纖維、聚合物水凝膠和多孔材料)受被動(dòng)離子傳輸?shù)南拗疲絼?dòng)力學(xué)和吸附容量較低。此外,大多數(shù)吸附劑在鈾提取過(guò)程中需要對(duì)溶液進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理(如pH調(diào)節(jié)),可能會(huì)造成二次污染。因此,開(kāi)發(fā)具有主動(dòng)離子傳輸和局部pH調(diào)節(jié)功能的先進(jìn)鈾吸附劑對(duì)于快速鈾去除至關(guān)重要。


  近年來(lái),能夠?qū)h(huán)境能量轉(zhuǎn)化為自主運(yùn)動(dòng)的微/納米馬達(dá)(MNMs)在環(huán)境修復(fù)方面顯示出巨大的潛力。MNMs的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)可以促進(jìn)污染物和吸附劑的混合,從而加快處理效率。但目前現(xiàn)有的MNMs提取鈾時(shí)仍然存在處理范圍較短(靜電吸引或短程電泳)和無(wú)法避免的二次污染。因此,迫切需要具有自主移動(dòng)、主動(dòng)泵送鈾酰離子和自主pH調(diào)節(jié)的智能MNMs來(lái)解決上述問(wèn)題。


  近日,華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院瞿金平院士/牛冉研究員團(tuán)隊(duì)在《Journal of Hazardous Materials》雜志在線發(fā)表了題為Ion-exchange induced multiple effects to promote uranium uptake from nonmarine water by micromotors的研究文章。他們設(shè)計(jì)了一種由磁性離子交換樹(shù)脂和吸附劑組成的自驅(qū)動(dòng)模塊化微納馬達(dá),可用于動(dòng)態(tài)去除非海洋水中的鈾。利用可循環(huán)離子交換樹(shù)脂建立的長(zhǎng)程pH梯度和電泳流,磁性Fe3O4納米粒子賦予材料磁回收性能。模塊化微納馬達(dá)對(duì)鈾的吸附速度快,在30 ppm的鈾溶液中,10 min內(nèi)可達(dá)到629.3 mg g-1吸附量,并且具有良好的可重復(fù)利用性。數(shù)值模擬結(jié)果證實(shí),流場(chǎng)和電場(chǎng)加速了鈾向吸附劑的擴(kuò)散。此外,他們驗(yàn)證了在實(shí)際鈾污染水體中,該微反應(yīng)器可以濃度鈾降至10 ppb左右,遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織(WHO)的飲用水標(biāo)準(zhǔn)(30 ppb。最后,他們通過(guò)構(gòu)建一個(gè)自主閉環(huán)微型裝置來(lái)進(jìn)一步證明該模塊化微納馬達(dá)處理鈾污染水體的可擴(kuò)展性,該裝置可以連續(xù)從受污染的水體中去除,驗(yàn)證其在未來(lái)工業(yè)應(yīng)用中的潛力。


自驅(qū)動(dòng)模塊化微納馬達(dá)的構(gòu)建


2 模塊化微納馬達(dá)的局部pH以及流場(chǎng)表征


3 自驅(qū)動(dòng)模塊化微納馬達(dá)的鈾吸附性能


4 自驅(qū)動(dòng)模塊化微納馬達(dá)處理實(shí)際鈾污染水體


5 自驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)的去除鈾機(jī)理及微型裝置驗(yàn)證


  論文第一作者為華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院2023級(jí)博士研究生付琳慧,論文通訊作者為華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院牛冉研究員,論文作者還包括華中科技大學(xué)瞿金平院士、龔江教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。


  全文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.136464


作者簡(jiǎn)介:


牛冉,華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年項(xiàng)目首席科學(xué)家,主要研究領(lǐng)域?yàn)楣δ芨叻肿硬牧霞拔⒓{米機(jī)器人。目前以第一或通訊作者身份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等具有重要影響力的國(guó)際刊物上發(fā)表SCI論文70余篇,獲授權(quán)專利5項(xiàng),申請(qǐng)專利7項(xiàng)。主持承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題等國(guó)家和省部級(jí)科技項(xiàng)目多項(xiàng),并獲得湖北省海外高層次人才計(jì)劃、武漢英才等多項(xiàng)榮譽(yù)獎(jiǎng)勵(lì)。擔(dān)任Rare Metals期刊 (中科院1區(qū),影響因子6.3),Exploration、Energy MaterialsGreen Carbon期刊青年編委。
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