利用伽马光谱法评估锆铅硅酸盐对137Cs和60Co放射性核素的高吸收率

《Radiation Measurements》：Assessing high uptake of 137Cs and 60Co radionuclides by zirconium lead silicate using gamma spectrometry

放射性同位素137Cs和60Co在合成锆铅硅（ZrPbSi）材料上的吸附行为及机理研究。采用共沉淀法制备ZrPbSi，通过SEM、XRF、FT-IR和XRD表征其结构。研究pH、温度、接触时间等对吸附的影响，发现吸附容量分别为44.5和34.9 mg/g，符合伪二级动力学模型，热力学显示吸热且自发，竞争离子效应呈负相关。使用硝酸提取纯度达95.35%-98.13%。

　　

R.A. Abou-Lilah | M.R. Abass | N.A. Kotb

埃及原子能管理局，高温实验室和废物管理中心，13759，开罗，埃及

摘要

本研究探讨了使用合成的锆铅硅酸盐（ZrPbSi）对¹³⁷Cs和⁶⁰Co的吸附行为。采用共沉淀技术制备了ZrPbSi。用于表征合成ZrPbSi的四种常用分析方法包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线荧光（XRF）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射（XRD）。对¹³⁷Cs和⁶⁰Co的吸附研究涵盖了多个因素，包括pH值、振荡时间、温度和饱和容量。利用γ射线光谱来量化样品中¹³⁷Cs和⁶⁰Co的活性，为此使用了NaI(Tl)闪烁探测器。根据这些测量数据确定了吸附参数。研究结果表明，ZrPbSi对¹³⁷Cs和⁶⁰Co的吸附容量分别为44.5 mg/g和34.9 mg/g。吸附过程受pH值的影响，且吸附动力学遵循伪二级反应。热力学性质表明这是一种吸热且自发的吸附现象。观察到竞争离子的存在，干扰物种的浓度与¹³⁷Cs和⁶⁰Co的吸附之间存在负相关关系。使用0.1 M HNO₃作为洗脱剂时，¹³⁷Cs和⁶⁰Co的回收率分别达到了约95.35%和98.13%。

引言

随着核研究和技术的发展以及其在多个领域的广泛应用，安全处理放射性液体废物的需求日益迫切，这需要遵守辐射安全规定。放射性废物的危害在于其半衰期长、能量水平高、溶解度大以及容易被人体器官吸收。例如¹³⁷Cs，由于其释放的β和γ射线，具有潜在的健康风险，主要健康问题是增加患癌症的概率（Gatea等人，2024年）。

人体内或周围高浓度的Cs-137可能导致恶心、呕吐、失去意识甚至死亡等症状。过度暴露于Cs-137可能引发严重后果，如烧伤、急性辐射病和死亡（Boratyński等人，2021年；Karabayir等人，2021年）。

Co-60因其能发射能量为1173 keV和1332 keV的γ射线而具有危害性，这些射线能够穿透人体并在细胞内引起内部辐射（Mustafa和Zaiter，2011年），最终可能导致严重的健康问题，甚至死亡。

已经采用了多种方法来去除废水中的放射性物质，包括沉淀、吸附、离子交换、氧化还原和溶剂萃取（Abass等人，2024年；Deng等人，2023年；Long等人，2023年；Maree和Abass，2024年；Mei等人，2023年；Mu等人，2019年；Sheng等人，2024年）。每种方法都有其优缺点。例如，沉淀法适用于处理高浓度废水，但可能导致大量沉淀物产生，从而造成二次污染。离子交换需要定期更换树脂和维护设备。而氧化还原和溶剂萃取方法则涉及大量化学试剂的使用。总体而言，这些方法在效果、操作性和成本方面存在局限性（Kadadou等人，2023年）。其中，吸附法作为一种有前景、简单、高效且经济的方法，被用于处理含有放射性物质的酸性铀废水（Guo等人，2023年）。

在发电厂、研究机构、回收设施以及涉及放射性同位素生产的工业和诊断医疗应用中，会产生放射性废物（Maree等人，2024年）。必须对这些废物进行适当处理，以将放射性同位素的浓度降低到可接受的水平，从而确保辐射安全。吸附技术是一种有效的放射性元素隔离方法，可将大量液体废物中的放射性转移到少量固体废物中，有效降低放射性物质泄漏到环境中的风险（Song等人，2019年；Xie等人，2016年）。

有机吸附剂在高温强辐射场下热稳定性和辐射稳定性较差（Abass等人，2022c）。无机吸附剂由于具有热稳定性、化学稳定性和辐射稳定性，可用于分析化学和放射性核素的去除（Maree等人，2024年）。为了去除放射性核素，使用了多种无机材料作为吸附剂，如天然沸石（Osmanlioglu，2015年）和蒙脱石（Wang等人，2018年；Wang等人，2018年；Xin等人，2018年）。粘土矿物和复合材料也是用于去除放射性核素的例子（Sun等人，2014年；Wang等人，2018年；Wang等人，2018年）。

关于铅含量的环境和安全问题包括其对人类和环境的毒性，尤其是在低浓度下也会影响儿童的神经发育。铅可通过工业来源、旧油漆以及受污染的土壤和水进入环境。安全措施包括通过正确的处理方式、通风和废物处理以及个人卫生（如洗手）来防止暴露（Raj和Das，2023年）。此前，许多研究人员制备了锆硅酸盐（Ferreira等人，2001年）、聚铝锆硅酸盐（PAZS）（Zhuang等人，2021年）和铅硅酸盐玻璃（Mocioiu等人，2017年），但尚未制备出锆、铅和硅酸盐的组合材料。在本研究中，制备了新型材料ZrPbSi，其对水溶液中的¹³⁷Cs和⁶⁰Co具有高亲和力。使用不同的分析技术对这种合成吸附剂进行了表征，并通过γ射线光谱和NaI(Tl)闪烁探测器测量了¹³⁷Cs和⁶⁰Co的初始和最终活性。测量的目的是评估从水溶液中去除放射性同位素的百分比（% R）。

仪器和材料

本研究使用的材料包括Loba Chemie（印度）提供的ZrOCl₂.8H₂O；Alpha Chemika（印度）提供的Pb(NO₃)₂、Na₂SiO₃、CoCl₂.6H₂O和CsCl；Merck（德国）提供的HCl和HNO₃；El-Nasr Co（埃及）提供的NaOH和NH₃。Alpha II Bruker（德国）和Brucker XRD D2 Phaser II（德国）分别用于ZrPbSi吸附剂的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射（XRD）。

XRD

XRD图谱显示ZrPbSi具有晶体结构（见图2(a)），在22.5?、24.3?、28.3?、29.58?、33.9?、34.3?、42.0?、45.6?、55.0?、64.0?、70.1?和79.7?处有多个尖锐峰，对应的Miller指数分别为201、102、211、300、003、212、312、410、502、520、006和710。JCPDS编号COD 9013839证实了其六方晶系的结构。

结论

通过共沉淀技术制备的ZrPbSi吸附剂能够有效去除水溶液中的¹³⁷Cs和⁶⁰Co。吸附结果表明，该吸附剂的接触时间为90分钟，吸附过程遵循PSO动力学模型，对¹³⁷Cs和⁶⁰Co的吸附容量分别为44.5 mg/g和34.9 mg/g，表明ZrPbSi的吸附能力优于其他无机吸附剂。热力学参数进一步证实了这一效果。

CRediT作者贡献声明

Nadia Kotb： 数据整理、概念构思。Riham A. Abou-Lilah： 形式分析。Mohamed Ragab Abass： 原稿撰写、软件使用、资源调配、数据整理

未引用参考文献

Abass等人，2021a；Abass等人，2021b；Abass等人，2024e；Abass等人，2024f；Wang等人，2018。

利益冲突

下列作者声明他们与任何组织或实体均无财务利益关联（如酬金、教育资助、演讲事务参与、会员资格、就业、咨询、股票持有或其他股权利益），也无非财务利益关联（如个人或职业关系、隶属关系、知识或信仰）。

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了埃及原子能管理局的支持。特别感谢埃及原子能管理局核燃料技术部门的所有成员对这项工作的支持。