利用纳米技术清除核废料

核能的生产和使用会产生大量的放射性废物。由于其对所有生物和环境的毒性，这种废物的处置受到严格监管。

图片来源：Kunertus/Shutterstock.com

为应对人类对核能需求的迅速增长，预计新材料和新技术将在发展复杂的核能系统方面发挥重要作用。

技术创新对于废物和环境管理至关重要。这项技术成就涉及开发可用于安全处置、分类、储存和跟踪放射性核废料的材料。

最近受到广泛关注的纳米材料和纳米技术的广泛潜在用途可能有助于安全核能系统的发展及其安全处置。本文探讨了纳米技术在安全处置核废料中的相关性。

目前在实践中清除核废料的技术有哪些?

放射性核素由于其极长的半衰期而成为核废料清理或去污的主要问题。研究人员提出了几种清洁可溶性放射性核素的技术，包括膜分离、离子交换和化学沉淀。

当前的废水处理和固体废物处置程序不适合处理放射性废水。此外，废水中某些放射性核素的含量可能大大低于其他成分的含量。因此，需要高效的选择性去除。

随着纳米材料和纳米技术的出现，工业现在可以在纳米尺度上设计和制造新的专用功能材料。纳米材料独特的物理和化学特性，包括纳米级效应、高化学反应性和更大的比表面积，使其成为放射性核废料安全处置的绝佳选择。

用于净化核废料的技术?

目前正在使用不同类型的纳米材料来清除核废料或去除放射性成分。吸附以其在去除废水中可溶性物质方面的出色性能而闻名。

由于其较高的比表面积和稳定的纳米结构，纳米材料具有很好的多种界面相互作用的倾向。这是废水中可溶性放射性核素比标准材料高效选择性吸附所必需的。

发表在《环境科学纳米》杂志上的一篇文章讨论了纳米技术中用于核废料净化的各种技术。清洁核废料的最有效方法之一是使用碳纳米管 (CNT)。

碳基纳米材料在核废料净化中的作用

碳纳米管由于其特殊的物理化学性质，有可能与其他原子一起稳定。发现 CNT 在用作吸附剂时能够从核废料流中分离放射性核素。

为了提高碳纳米管的吸附能力，对其表面的化学改性已被广泛研究，以在碳纳米管表面产生大量的官能团，从而更好地去除放射性核素。

除了用作化学吸附剂的碳纳米管外，它们还被用作电开关离子交换剂，以去除核废水中的放射性铯离子。

氧化石墨烯(GO)具有巨大的表面积和表面上高浓度的含氧官能团。由于从外层突出的氧基团提供了锚定位点，放射性核素可以很容易地添加到 GO 中。

通过功能化 GO 或将其与具有逻辑定义特性的其他功能材料结合，可以显着提高吸附。这减少了 GO 聚集并增加了其在核废水中的分散。

然而，在该应用中使用氧化石墨烯存在一些问题。其对放射性阴离子的低吸附性和在其表面上存在几个官能团意味着如果要与放射性阳离子一起使用，GO 必须用阴离子亲和性进行表面改性。

由于其强大的晶面接触，GO 倾向于形成聚集体。大量的 GO 表面积损失，限制了该技术在废水处理中的使用。为了提高氧化石墨烯的吸附能力，纳米聚合物已被接枝到 GO 的表面以避免自聚集。

使用纳米粒子修饰的微型机器人清理核废料

研究人员在他们发表在ACS Nano上的文章中讨论了使用微型自走式微型机器人从核废水中去除放射性成分的可能性。

由于它们能够将极强的吸附特性与在液体介质中的快速自主移动相结合，这些微型机器人在核废料的清理方面具有很大的前景。

研究人员使用直径约为人类头发 1/15 的 ZIF-8 棒来构建这些微型机器人。他们使用铁原子和氧化铁纳米粒子来稳定和磁化地层。水中的过氧化氢“燃料”被转化为氧气气泡，从而以每秒 60 倍于自身长度的速度推动微型机器人。

在一小时内，微型机器人从模拟的放射性废水中回收了 96% 的铀。科学家们使用磁铁来捕获装有铀的棒，使它们能够被回收利用。研究人员认为，这些微型机器人可能有助于管理和修复放射性废物。

核能纳米技术的未来

目前正在研究基于金属、纤维素、生物、羟基磷灰石和天然纳米材料的多种纳米材料，以了解它们在清理核废料中的潜在用途。

当前与纳米技术在清洁核废料方面相关的挑战包括成本和大规模应急应用、环境影响、再生和可重复使用性、功能化和分离效率。

尽管已经使用多种技术来清理核废料，但仍需要进行广泛的研究来克服与全球核计划快速扩展相关的问题。