阐明种子介导的磷铝矿结晶机制，以提高从废水中回收磷的效率

《Separation and Purification Technology》：Elucidating the mechanism of seed-mediated vivianite crystallization for enhanced phosphorus recovery from wastewater

铀污染治理新进展：本研究通过原位还原法合成nZVC-Co(OH)?纳米复合材料，利用零价铜纳米颗粒的还原特性与层状钴氢氧化物的高比表面积协同作用，实现98%的铀(VI)快速吸附（5分钟平衡），吸附容量达1604.3 mg/g，显著优于传统吸附剂。机理研究表明铀(VI)通过表面配位和部分还原为U(IV)双重机制被高效捕获，且对腐殖酸抑制效应小。该材料为海水铀回收和放射性废水处理提供了创新解决方案。

　　

张子健|刘一民|罗永红|徐万杰|阿姆尔·富德|魏月洲|曾德谦

华南理工大学核科学技术学院，中国衡阳421001

摘要

水环境中的铀污染对铀资源的修复工作及长期安全构成了严重挑战。因此，设计出坚固且具有选择性的高性能材料对于实现铀的提取至关重要。本文报道了一种新型nZVC-Co(OH)₂纳米复合材料，该材料通过原位还原工艺制备而成，其中纳米级的零价铜均匀地锚定在氢氧化钴纳米片上。这种独特的结构有效抑制了铜的氧化，促进了电子的快速转移，并为U(VI)的协同吸附和还原提供了丰富的活性位点。优化的nZVC-Co(OH)₂纳米复合材料在5分钟内即可达到吸附平衡，显示出高达98%的U(VI)去除效率，最大吸附容量为1604.3 mg/g，显著优于传统吸附剂。值得注意的是，腐殖酸在较高浓度下仅有轻微的抑制作用。利用XPS和TEM分析进行的机理研究表明，U(VI)的去除是通过表面络合和U(VI)部分还原为U(IV)共同作用的结果，直接体现了其双重功能。这项工作介绍了一种简便、可扩展的合成方法，用于开发经济高效、适用于海水及其他复杂水体系中的铀回收吸附剂。

引言

核能通过大规模应用显著支持了全球能源消费的增长，并减少了温室气体排放[1]。然而，核燃料循环不可避免地会产生放射性残留物，其不当管理会对生态安全和公共健康造成长期威胁[2]。铀是最丰富且半衰期最长的放射性元素（半衰期为45亿年），在水环境中以铀酰离子（UO₂²⁺）的形式存在，持续对生态环境构成威胁[3]。这一现实推动了污染控制技术的不断创新。目前，已经存在一套完善的含铀废水处理技术体系，包括膜分离[4]、离子交换[5]、生物修复[6]和吸附技术[7]。其中，吸附技术因其高选择性、较大的吸附容量以及在工程应用中的优势而脱颖而出，在复杂介质中表现出独特的铀回收能力[8]。为了平衡核能的益处与环境安全，通过吸附手段持续优化铀污染控制至关重要[9]。因此，需要突破性创新来减少放射性U(VI)污染物的排放并实现资源化利用。

U(VI)污染物处理技术的进展越来越关注新型吸附剂，尤其是二维（2D）纳米结构，因为它们具有出色的表面特性[10]。这些独特的层状结构提供了极高的比表面积，并通过表面配位吸附位点显著增强了UO₂²⁺的捕获能力[11]。2D吸附剂的独特结构和功能特性为吸附剂工程提供了双重优化途径：调节层间距以增强离子传输动力学[12]，以及利用活性基团实现定向吸附选择性[13]。层状金属氢氧化物已成为先进吸附剂的有希望的改性材料。例如，郭等人合成了NiCo层状双氢氧化物（LDHs），能够有效从废水中吸附U(VI)[14]。此外，最近的研究表明，用层状Mg(OH)₂包覆零价铁纳米颗粒可以通过静电排斥和空间位阻作用减轻氧化和聚集，从而提高U(VI)的去除效果[15]。利用这种多机制协同方法，当前的研究旨在克服传统吸附模式的局限性，为放射性铀废水的资源化处理开辟新的途径[12]。

纳米级零价铜材料因其独特的还原能力而成为铀污染修复的有希望的候选材料[16]。这些材料通过表面电子转移将U(VI)转化为稳定的U(IV)沉淀物。与其他金属还原剂相比，零价铜具有理想的电化学性质，并因其高自然丰度、简单的制备工艺和较低的生态风险而具有更大的工程应用潜力[17]。然而，纳米颗粒的聚集会减少活性位点，循环稳定性不足也限制了其实际应用[18]。为了解决这些问题，研究人员探索了表面功能化、结构形态优化以及与基体结合等技术[19]。其中，将零价铜负载在2D层状材料上的策略显示出显著的优势。例如，使用2D Ti₃C₂作为基底时，其丰富的表面官能团增强了UO₂²⁺的锚定能力，而基体的优异导电性加速了电子转移过程[20]。这种双重吸附和还原机制显著提高了U(VI)的去除效率和纳米复合材料的结构稳定性。

本研究通过原位合成工艺制备了一种0D2D nZVC-Co(OH)₂纳米复合材料，由于其独特的结构而表现出优异的U(VI)去除效果。这种新型吸附剂系统将金属活性组分与层状基底结合，其中超细Cu纳米颗粒分散在2D片状基底上，有效抑制了纳米颗粒的迁移和聚集。系统研究了包括pH值、干扰离子浓度和初始U(VI)水平在内的关键参数对去除性能的影响。采用多种表征技术阐明了U(VI)捕获的双重功能吸附-还原机制。nZVC-Co(OH)₂活性位点和结构的协同优化显著提高了U(VI)的去除效率，在5分钟内即可达到吸附平衡，效率高达98%。这项研究为开发经济高效、高性能的U(VI)处理技术提供了新的吸附剂设计理念，展示了nZVC-Co(OH)₂纳米复合材料在U(VI)原位处理中的有效性。

材料

有关表征和实验条件的更多信息，请参见补充材料（文本S1 - S5）。

化学品

四水合醋酸钴（C₄H₆O₄·Co·4H₂O，分析级（AR），≥99%，Macklin，中国）；羧甲基纤维素钠（CMC，分析级，中国医药化学试剂公司）；氨水（NH₃·H₂O，25–28 wt%，AR，中国医药公司）；硼氢化钠（NaBH₄，AR，≥98%，Macklin，中国）；五水合硫酸铜（CuSO₄·5H₂O，AR，≥99%，Macklin，中国）

形态结构表征

图1a显示nZVC-Co(OH)₂复合材料是通过原位还原方法制备的。使用X射线衍射（XRD）分析了Co(OH)₂和nZVC-Co(OH)₂复合材料的晶体结构。图1b中的Co(OH)₂峰与Co(OH)₂的特征信号（JCPDS No 89–8616）非常吻合。nZVC的峰对应于Cu的峰（JCPDS No 85–1326）。由于nZVC-Co(OH)₂中Cu的含量较低，在其XRD谱图中约43°处出现了一个低强度峰

结论

本研究通过原位还原方法成功合成了nZVC-Co(OH)₂吸附剂，有效抑制了nZVC纳米颗粒的聚集。通过优化nZVC的含量，获得了性能最佳的复合材料0.005nZVC-Co(OH)₂。该材料表现出快速的吸附动力学，U(VI)的最大去除容量达到1604.3 mg/g。吸附行为符合伪二级动力学模型和朗缪尔等温线模型，表明发生了化学吸附

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52102092和U23B20167）和湖南省自然科学基金（项目编号2025JJ50260）的支持。