科学网—广西大学王开拓研究团队：面向放射性核素全链条处置，非水热法制备高强耐辐照方钠石微球及其铯锶核素一体化处置机制-清华大学出版社学术期刊的博文

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2026-9-23 10:00

| 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

Cite this article:

Yi M, Chen H, Wang X, et al. Non-hydrothermal synthesis of robust and radiation-resistant sodalite microspheres for effective removal and in-situ immobilization of Cs + and Sr 2+ . Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221379

文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221379

ResearchGate ： Non-hydrothermal_synthesis_of_robust_and_radiation-resistant_sodalite_microspheres_for_effective_removal_and_in-situ_immobilization_of_Cs_and_Sr

基金支持：

本工作得到了 国家自然科学基金 (12105056) ，广西自然科学基金 (2025GXNSFAA069185 ， 2025GXNSFBA069338) 的支持。

一、 导读

对核废水中的放射性核素 137 Cs 与 90 Sr 进行安全处置，不仅需要高效的捕获工艺，还需实现永久性固封。然而现有策略往往将这些过程视为独立环节处理，从而导致工艺不兼容及操作流程复杂化。为此，广西大学王开拓研究团队采用地聚物非水热转化策略，制备高强耐辐照方钠石微球 (GXU-SODs) ，实现铯锶 吸附‑ 原位固封一体化 。材料抗压强度达 13.88 MPa ， 500 kGy 辐照后仍保留＞ 96% 性能；经 1100 ℃ 热处理， 28 天浸出率低至 10 -6 量级，远低于国标限值，这为放射性核素全链条处置提供新路径。

二、 研究背景

核能作为重要的低碳能源，可满足全球日益增长的能源需求。然而，核能的利用会产生大量含有 137 Cs 与 90 Sr 的放射性废水。铯、锶离子溶解度高、迁移性强、半衰期长，易沿食物链富集，诱发人体放射损伤，必须同时完成高效去除与长期安全固化。吸附法因成本可控、适配复杂水体，成为核废水处理主流技术，无机吸附材料相比有机高分子材料，具备更优异的热稳定性与抗辐照性能，更适配放射性工况。现有工艺大多将吸附、固化拆分为独立工序：先利用吸附材料捕获核素，再额外引入水泥、玻璃陶瓷基体进行混料烧结。该模式存在三大痛点： (1) 吸附相与固化基体理化相容性差，固化体易开裂； (2) 最终稳定性依赖外加基体，吸附材料本身不具备自固化能力； (3) 操作流程繁琐，产生大量二次放射性废物。

方钠石 (SOD) 沸石分子筛拥有致密 β 笼骨架，笼内结合位点强、化学稳定性优异，是理想的核素固封基体。传统水热法合成方钠石需要高压反应条件、常使用有机模板，成型颗粒制备难度大，不利于规模化应用。地聚物是以铝硅酸盐前驱体经碱激发形成的无机凝胶材料，具备 力学强度高、化学耐久性好、耐腐蚀 等突出优势，在放射性离子吸附与固封领域拥有巨大应用潜力。由于地聚物具有类分子筛的特点，由于地聚物具有类分子筛的特点，其硅-铝四面体基本结构单元与沸石晶体骨架高度同源，可在温和非水热条件下原位拓扑转化生成沸石晶相，无需高压釜与有机模板，有望实现沸石相的一步成型制备。

基于此，广西大学王开拓研究团队创新性地提出吸附 - 固封一体化策略，用于 Cs + 和 Sr 2+ 的安全处理。通过非水热制备出高强耐辐照的 SOD 沸石微球 (GXU-SODs) 。通过调控 Si 、 Na 和 Al 的比例，地聚物凝胶可部分转化为 SOD 沸石相，而其余部分则作为高强度基质，在不添加第二相基体条件下完成核素晶格原位固封，从而实现对 Cs + 和 Sr 2+ 的吸附 - 固封一体化过程，构建放射性核素全链条处置新策略。

三、文章亮点

1. 工艺创新：基于地聚物技术非水热制备高强且耐辐照方钠石微球 (GXU-SODs) ，抗压强度达 13.88   MPa ，无需高压与有机模板。

2. 性能优势： 500   kGy 辐照后， GXU-SODs 保持＞ 96% 结构完整性与吸附能力。在复杂的海水水体下 GXU-SODs 仍保持＞ 95% 铯锶去除效率。动态吸附实验证明 GXU-SODs 对连续水处理可行性。

3. 机制突破：吸附后的 GXU -SODs 在 1100  ° C 下可直接形成稳定的基质，从而实现良好的固定化效果（ 28 天归一化浸出率达 10 -7 量级）。结合 XRD 、 XPS 、 SEM‑EDS 、 DFT 等方法揭示离子交换与晶格嵌入是吸附固封机制的主要作用方式。

4. 范式革新：本研究打破了“吸附与固化”分步处理的传统研究范式，构建了从废水净化到可固化处置体的完整一体化处置链条，实现了核废物管理流程的简化，有效降低了二次污染风险。

四、 研究结果及结论

将合成粉体与水玻璃混合搅拌得到浆料，经机械高速分散制成均质地聚物浆料，通过分散 - 悬浮 - 固化法制备得到粒径 75-150 μm 的方钠石微球 (GXU-SODs) 。 n(Na 2 O)/n(Al 2 O 3 ) 摩尔比对沸石晶体生长起关键作用。结合微球形貌、 XRD 、抗压强度，确定 n(Na 2 O)/n(Al 2 O 3 )=2.2 为最佳制备条件 ，如图 1 所示。

图 1. GXU-SODs 制备流程图 (a) ，不同 n(Na 2 O)/n(Al 2 O 3 ) 下 GXU-SODs 的 OM 及 SEM 图像 (b/b 1 -g/g 1 : 1.4-2.4) ， XRD (h) 以及不同 n(Na 2 O)/n(Al 2 O 3 ) 条件下 GXU-SODs 的相对结晶度与抗压强度 (i)

GXU-SODs 对 Cs + 和 Sr 2+ 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，证实其为单层化学吸附， 298 K 时对 Sr 2+ 和 Cs + 的最大吸附容量分别为 56.67 和 59.64 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 2 所示。

图 2. GXU-SODs 对 Cs + 与 Sr 2+ 的 Langmuir (a) 、 Freundlich (b) 及 D-R(c, d) 等温吸附拟合模型。

实际水体中存在大量共存离子，会对 GXU‑SODs 吸附 Cs + 和 Sr 2+ 产生抑制作用。随着共存离子浓度升高，竞争吸附位点加剧， GXU‑SODs 对 Cs + 和 Sr 2+ 的吸附容量均下降，这源于离子水合半径相近引发的竞争效应。在吸附剂剂量为 3.5 g·L -1 条件下， GXU‑SODs 对 Cs + 和 Sr 2+ 去除率均可超过 95% ，证明该材料在真实复杂水环境下具备良好的应用潜力，如图 3 所示。

图 3. 共存离子 (a, b) 与真实水体 (c, d) 对 GXU-SODs 吸附 Sr 2+ 和 Cs + 的影响，以及未过滤海水中不同流速下 GXU-SODs 对 Sr 2+ 和 Cs + 的穿透曲线及 Thomas 模型拟合（ e 、 f ）。

为揭示 GXU‑SODs 对 Sr 2+ 、 Cs + 的吸附机制，如图 4 所示，进行吸附前后 SEM-EDS ， XPS ， FT‑IR 与 XRD 微观表征。吸附后材料仍保持完整球形形貌，证明其力学性能稳定； EDS 结果显示 Sr 、 Cs 元素均匀分布于微球表面，证实离子被成功吸附。 XPS 全谱表明，吸附后 Na 元素含量明显下降，而硅铝比值基本不变，材料晶体骨架保持稳定。由钠离子损耗计算得到的实际离子交换容量，远低于方钠石理论离子交换容量，说明离子交换并非唯一吸附途径，还存在表面化学吸附作用，整体为物理 ‑ 化学吸附协同的单层吸附机制。结合 FT‑IR 与 XRD 表征：吸附后方钠石的主要特征衍射峰保留完整，仅峰强度有所降低；红外光谱识别出沸石骨架的系列特征振动峰，综合证实吸附过程存在离子交换作用，同时骨架结构未发生破坏。

图 4. GXU-SODs 在吸附前 (a) 与吸附后 (b ： Cs ； c ： Sr) 的 SEM/EDS ， GXU-SODs 的 XPS 全谱图 (d) ， Sr 3d(e) 、 Cs 3d(f) 及 Na 1s(g) 的 XPS 谱图， GXU-SODs 吸附前后的 FT-IR 图 (h) 和 XRD 图 (i) 。

为从原子层面解析吸附机制，利用 DFT 理论计算确定 GXU‑SODs 对 Sr 2+ 、 Cs + 的最优吸附位点与吸附能，如图 5 所示。方钠石六元环窗口是阳离子交换的主要通道， Sr 2+ 与 Cs + 在六元环的笼内、笼外均可形成稳定吸附构型； Sr 2+ 的吸附能更负，代表其与骨架结合亲和力强于 Cs + 。 Sr 2+ 结合作用更强，但水合离子半径大、脱壳耗能高，穿越狭窄六元环的能垒更高，实际进入笼内的离子数量受到动力学 ‑ 热力学限制；而 Cs + 脱水难度更低，可利用更多交换位点，因此宏观饱和吸附容量略高于 Sr 2+ ，二者位点本征吸附容量接近。最优构型下 Sr 2+ 与骨架距离更近；差分电荷密度证明离子与六元环氧原子间发生明显电荷转移，产生强电子相互作用。

图 5. GXU-SODs 吸附 Sr 2+ (a) 和 Cs + (b) 的吸附能及结构模型图，以及 GXU-SODs 吸附 Sr 2+ (c ， e) 和 Cs + (d ， f) 的最优构型与差分电荷分布图。

如图 6 所示，经 500 kGy 辐照后，不同养护时长（ 7/280d ）的 SOD 分子筛块体的表面形貌均无显著变化，抗压强度仅轻微下降。 XRD 证实仍存在 SOD 分子筛特征峰 ( PDF#42-0216 ) ，且对 Cs + /Sr 2+ 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. 辐射后 GXU -SODs 的 SOD 沸石块体外观 (a) 、光学显微镜图像 (b) 、 XRD 图像 (c) 及扫描电子显微镜图像 (d) ， SOD 沸石块体的抗压强度 (e) ， GXU-SODs 对 Cs + 和 Sr 2+ 在 500 kGy 辐照前后的吸附性能 (f) 。

图 7. 未烧结条件下 (a) 及烧结条件下 (b-d ： 900 、 1000 、 1100 °C)Sr/Cs@GXU-SODs 的归一化浸出率，以及 Sr/Cs@GXU-SODs 在 1100 °C 时的结构模型 (e ： Sr ； f ： Cs) 。

为评估热处理对 Sr/Cs@GXU‑SODs 长期化学稳定性的影响，分别测试未烧结以及 900  、 1000  、 1100 ℃ 煅烧样品的归一化浸出率，如图 8 所示。未烧结样品前期浸出率较高， 900 ℃ 煅烧后浸出率有所下降，但物相转化不完全，残存无定形区域仍会发生离子缓慢扩散； 1000 ℃ 下物相转化程度提升，浸出率进一步降低。当煅烧温度达到 1100 ℃ ， 28 天 Sr 2+ 、 Cs + 归一化浸出率分别降至 8.6×10 -7 、 2.82×10 -6  g·m -2 ·d -1 ，远低于行业标准 EJ 1186‑2005 ，这源于材料完全转变为热力学稳定陶瓷相，核素由可交换态转变为晶格固封状态。结合实验结果建立机理示意图： 1100 ℃ 热处理触发方钠石骨架重构相变，原本禁锢在 β‑ 笼内的 Sr 2+ 、 Cs + 嵌入新生成铝硅酸盐陶瓷相的特定晶格位点，依靠强离子 ‑ 共价键与骨架氧配位，不再是笼内可交换阳离子。这进一步证实该吸附 ‑ 固化一体化策略可用于放射性废物安全处置。

五、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。 以第一或共一作者身份在 Adv. Funct. Mater. 、 J. Adv. Ceram. 、 J. Hazard. Mater. 、 Sep. Purf. Technol. 、 Appl. Clay Sci. 等 期刊发表论文 6 篇。

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。荣获广西科学技术进步奖三等奖 ( 第一获奖人 ) 、广西八桂青年拔尖人才培养项目。主要研究方向为功能纳米吸附材料、保温隔热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和广西自然科学基金 5 项；以第一或通讯作者在 Adv. Funct. Mater. 、 J. Adv. Ceram. 、 Chem. Eng. J. 、 J. Hazard. Mater. 、 Compos. Part B-Eng. 等期刊上发表 SCI 论文 40 余篇， 2 篇入选 ESI 高被引论文，总被引次数 4100 余次， H 因子为 38 ； 2023-2025 连续三年入选 “ 全球前 2% 顶尖科学家 ” 榜单；授权发明专利 10 项。邮箱： wangkaituo@gxu.edu.cn 。

作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：

1 ） 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 137 Cs and 90 Sr. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(8): 9221123. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221123

《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， 清华大学出版社有限公司 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，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。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， 2025 年发文量为 202 篇； 2026 年 6 月发布的影响因子为 14 ，连续 6 年位列 Web of Science 核心合集“材料科学，陶瓷”学科 34 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； 2026 年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。 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有限公司自主研发、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。

期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508

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