核能的生產(chǎn)和使用會產(chǎn)生大量的放射性廢物。由于其對所有生物和環(huán)境的毒性，這種廢物的處置受到嚴(yán)格監(jiān)管。
為應(yīng)對人類對核能需求的迅速增長，預(yù)計新材料和新技術(shù)將在發(fā)展復(fù)雜的核能系統(tǒng)方面發(fā)揮重要作用。
技術(shù)創(chuàng)新對于廢物和環(huán)境管理至關(guān)重要。這項技術(shù)成就涉及開發(fā)可用于安全處置、分類、儲存和跟蹤放射性核廢料的材料。
最近受到廣泛關(guān)注的納米材料和納米技術(shù)的廣泛潛在用途可能有助于安全核能系統(tǒng)的發(fā)展及其安全處置。本文探討了納米技術(shù)在安全處置核廢料中的相關(guān)性。
目前在實踐中清除核廢料的技術(shù)有哪些?
放射性核素由于其極長的半衰期而成為核廢料清理或去污的主要問題。研究人員提出了幾種清潔可溶性放射性核素的技術(shù)，包括膜分離、離子交換和化學(xué)沉淀。
當(dāng)前的廢水處理和固體廢物處置程序不適合處理放射性廢水。此外，廢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，需要高效的選擇性去除。
隨著納米材料和納米技術(shù)的出現(xiàn)，工業(yè)現(xiàn)在可以在納米尺度上設(shè)計和制造新的專用功能材料。納米材料獨特的物理和化學(xué)特性，包括納米級效應(yīng)、高化學(xué)反應(yīng)性和更大的比表面積，使其成為放射性核廢料安全處置的絕佳選擇。
用于凈化核廢料的技術(shù)?
目前正在使用不同類型的納米材料來清除核廢料或去除放射性成分。吸附以其在去除廢水中可溶性物質(zhì)方面的出色性能而聞名。
由于其較高的比表面積和穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)，納米材料具有很好的多種界面相互作用的傾向。這是廢水中可溶性放射性核素比標(biāo)準(zhǔn)材料高效選擇性吸附所必需的。
發(fā)表在《環(huán)境科學(xué)納米》雜志上的一篇文章討論了納米技術(shù)中用于核廢料凈化的各種技術(shù)。清潔核廢料的最有效方法之一是使用碳納米管 (CNT)。
碳基納米材料在核廢料凈化中的作用
碳納米管由于其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，有可能與其他原子一起穩(wěn)定。發(fā)現(xiàn) CNT 在用作吸附劑時能夠從核廢料流中分離放射性核素。
為了提高碳納米管的吸附能力，對其表面的化學(xué)改性已被廣泛研究，以在碳納米管表面產(chǎn)生大量的官能團(tuán)，從而更好地去除放射性核素。
除了用作化學(xué)吸附劑的碳納米管外，它們還被用作電開關(guān)離子交換劑，以去除核廢水中的放射性銫離子。
氧化石墨烯(GO)具有巨大的表面積和表面上高濃度的含氧官能團(tuán)。由于從外層突出的氧基團(tuán)提供了錨定位點，放射性核素可以很容易地添加到 GO 中。
通過功能化 GO 或?qū)⑵渑c具有邏輯定義特性的其他功能材料結(jié)合，可以顯著提高吸附。這減少了 GO 聚集并增加了其在核廢水中的分散。
然而，在該應(yīng)用中使用氧化石墨烯存在一些問題。其對放射性陰離子的低吸附性和在其表面上存在幾個官能團(tuán)意味著如果要與放射性陽離子一起使用，GO 必須用陰離子親和性進(jìn)行表面改性。
由于其強大的晶面接觸，GO 傾向于形成聚集體。大量的 GO 表面積損失，限制了該技術(shù)在廢水處理中的使用。為了提高氧化石墨烯的吸附能力，納米聚合物已被接枝到 GO 的表面以避免自聚集。
使用納米粒子修飾的微型機器人清理核廢料
研究人員在他們發(fā)表在ACS Nano上的文章中討論了使用微型自走式微型機器人從核廢水中去除放射性成分的可能性。
由于它們能夠?qū)O強的吸附特性與在液體介質(zhì)中的快速自主移動相結(jié)合，這些微型機器人在核廢料的清理方面具有很大的前景。
研究人員使用直徑約為人類頭發(fā) 1/15 的 ZIF-8 棒來構(gòu)建這些微型機器人。他們使用鐵原子和氧化鐵納米粒子來穩(wěn)定和磁化地層。水中的過氧化氫“燃料”被轉(zhuǎn)化為氧氣氣泡，從而以每秒 60 倍于自身長度的速度推動微型機器人。
在一小時內(nèi)，微型機器人從模擬的放射性廢水中回收了 96% 的鈾?？茖W(xué)家們使用磁鐵來捕獲裝有鈾的棒，使它們能夠被回收利用。研究人員認(rèn)為，這些微型機器人可能有助于管理和修復(fù)放射性廢物。
核能納米技術(shù)的未來
目前正在研究基于金屬、纖維素、生物、羥基磷灰石和天然納米材料的多種納米材料，以了解它們在清理核廢料中的潛在用途。
當(dāng)前與納米技術(shù)在清潔核廢料方面相關(guān)的挑戰(zhàn)包括成本和大規(guī)模應(yīng)急應(yīng)用、環(huán)境影響、再生和可重復(fù)使用性、功能化和分離效率。
盡管已經(jīng)使用多種技術(shù)來清理核廢料，但仍需要進(jìn)行廣泛的研究來克服與全球核計劃快速擴(kuò)展相關(guān)的問題。
為應(yīng)對人類對核能需求的迅速增長，預(yù)計新材料和新技術(shù)將在發(fā)展復(fù)雜的核能系統(tǒng)方面發(fā)揮重要作用。
技術(shù)創(chuàng)新對于廢物和環(huán)境管理至關(guān)重要。這項技術(shù)成就涉及開發(fā)可用于安全處置、分類、儲存和跟蹤放射性核廢料的材料。
最近受到廣泛關(guān)注的納米材料和納米技術(shù)的廣泛潛在用途可能有助于安全核能系統(tǒng)的發(fā)展及其安全處置。本文探討了納米技術(shù)在安全處置核廢料中的相關(guān)性。
目前在實踐中清除核廢料的技術(shù)有哪些?
放射性核素由于其極長的半衰期而成為核廢料清理或去污的主要問題。研究人員提出了幾種清潔可溶性放射性核素的技術(shù)，包括膜分離、離子交換和化學(xué)沉淀。
當(dāng)前的廢水處理和固體廢物處置程序不適合處理放射性廢水。此外，廢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，需要高效的選擇性去除。
隨著納米材料和納米技術(shù)的出現(xiàn)，工業(yè)現(xiàn)在可以在納米尺度上設(shè)計和制造新的專用功能材料。納米材料獨特的物理和化學(xué)特性，包括納米級效應(yīng)、高化學(xué)反應(yīng)性和更大的比表面積，使其成為放射性核廢料安全處置的絕佳選擇。
用于凈化核廢料的技術(shù)?
目前正在使用不同類型的納米材料來清除核廢料或去除放射性成分。吸附以其在去除廢水中可溶性物質(zhì)方面的出色性能而聞名。
由于其較高的比表面積和穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)，納米材料具有很好的多種界面相互作用的傾向。這是廢水中可溶性放射性核素比標(biāo)準(zhǔn)材料高效選擇性吸附所必需的。
發(fā)表在《環(huán)境科學(xué)納米》雜志上的一篇文章討論了納米技術(shù)中用于核廢料凈化的各種技術(shù)。清潔核廢料的最有效方法之一是使用碳納米管 (CNT)。
碳基納米材料在核廢料凈化中的作用
碳納米管由于其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，有可能與其他原子一起穩(wěn)定。發(fā)現(xiàn) CNT 在用作吸附劑時能夠從核廢料流中分離放射性核素。
為了提高碳納米管的吸附能力，對其表面的化學(xué)改性已被廣泛研究，以在碳納米管表面產(chǎn)生大量的官能團(tuán)，從而更好地去除放射性核素。
除了用作化學(xué)吸附劑的碳納米管外，它們還被用作電開關(guān)離子交換劑，以去除核廢水中的放射性銫離子。
氧化石墨烯(GO)具有巨大的表面積和表面上高濃度的含氧官能團(tuán)。由于從外層突出的氧基團(tuán)提供了錨定位點，放射性核素可以很容易地添加到 GO 中。
通過功能化 GO 或?qū)⑵渑c具有邏輯定義特性的其他功能材料結(jié)合，可以顯著提高吸附。這減少了 GO 聚集并增加了其在核廢水中的分散。
然而，在該應(yīng)用中使用氧化石墨烯存在一些問題。其對放射性陰離子的低吸附性和在其表面上存在幾個官能團(tuán)意味著如果要與放射性陽離子一起使用，GO 必須用陰離子親和性進(jìn)行表面改性。
由于其強大的晶面接觸，GO 傾向于形成聚集體。大量的 GO 表面積損失，限制了該技術(shù)在廢水處理中的使用。為了提高氧化石墨烯的吸附能力，納米聚合物已被接枝到 GO 的表面以避免自聚集。
使用納米粒子修飾的微型機器人清理核廢料
研究人員在他們發(fā)表在ACS Nano上的文章中討論了使用微型自走式微型機器人從核廢水中去除放射性成分的可能性。
由于它們能夠?qū)O強的吸附特性與在液體介質(zhì)中的快速自主移動相結(jié)合，這些微型機器人在核廢料的清理方面具有很大的前景。
研究人員使用直徑約為人類頭發(fā) 1/15 的 ZIF-8 棒來構(gòu)建這些微型機器人。他們使用鐵原子和氧化鐵納米粒子來穩(wěn)定和磁化地層。水中的過氧化氫“燃料”被轉(zhuǎn)化為氧氣氣泡，從而以每秒 60 倍于自身長度的速度推動微型機器人。
在一小時內(nèi)，微型機器人從模擬的放射性廢水中回收了 96% 的鈾?？茖W(xué)家們使用磁鐵來捕獲裝有鈾的棒，使它們能夠被回收利用。研究人員認(rèn)為，這些微型機器人可能有助于管理和修復(fù)放射性廢物。
核能納米技術(shù)的未來
目前正在研究基于金屬、纖維素、生物、羥基磷灰石和天然納米材料的多種納米材料，以了解它們在清理核廢料中的潛在用途。
當(dāng)前與納米技術(shù)在清潔核廢料方面相關(guān)的挑戰(zhàn)包括成本和大規(guī)模應(yīng)急應(yīng)用、環(huán)境影響、再生和可重復(fù)使用性、功能化和分離效率。
盡管已經(jīng)使用多種技術(shù)來清理核廢料，但仍需要進(jìn)行廣泛的研究來克服與全球核計劃快速擴(kuò)展相關(guān)的問題。
