负载聚丙烯腈的铋（Bi）多孔碳材料，用于高效吸附碘蒸气

《Applied Surface Science》：Polyacrylonitrile-loaded bismuth (Bi) porous carbon materials for efficient adsorption of iodine vapour

Bi基复合材料制备及碘吸附性能研究。通过负载Bi至聚丙烯腈（PAN）基多孔碳材料，解决了Bi团聚问题，在250℃碳化得到Bi/PAN-P材料。实验表明Bi/PAN-P以介孔为主，Bi均匀分散，碘吸附速率快（90分钟达最大吸附量50%），30% Bi含量时吸附量达4057 mg/g，是商业银交换沸石的20倍，主要依赖化学吸附机制。

　　随着人类社会对能源需求的不断增长，传统化石燃料的使用虽然在一定程度上满足了能源需求，但也带来了诸如环境污染和温室效应加剧等一系列问题。与此同时，核能作为一种清洁、高效且具有高能量密度的能源形式，正逐渐成为替代传统能源的重要选择。然而，核能的开发和利用过程中不可避免地会产生放射性废料，其中放射性碘（如12?I和131I）因其高毒性及长半衰期（12?I的半衰期长达1.57×10?年）而成为环境安全的重大隐患。一旦这些放射性物质通过食物链进入人体，将对生物代谢过程产生严重影响，甚至导致严重的健康问题。因此，开发高效、环保且成本低廉的吸附材料以去除放射性碘污染，成为当前核能安全研究的核心任务之一。

在众多去除放射性碘的方法中，吸附技术因其操作简便、去除效率高而被广泛认可。吸附技术根据吸附材料的不同，可分为液相吸收和固相吸附两大类。相比之下，固相吸附因其较强的适用性、简单的操作流程以及较高的去除效率而被认为是更为可靠的选择。近年来，大量研究聚焦于开发适用于固相吸附的新型材料，包括活性炭、石墨烯基材料、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）、气凝胶等。其中，活性炭因其优良的吸附性能和简便的制备工艺，在早期的碘去除技术中被广泛应用。然而，活性炭也存在一些局限性，如易燃、易老化、再生能力差、难以重复使用，以及在吸附过程中可能造成碘的再释放，进而引发二次污染问题。

与银基材料相比，铋（Bi）基材料在碘吸附方面展现出诸多优势。首先，Bi具有较高的吸附速率和吸附容量，能够快速有效地捕获碘蒸气。其次，Bi基材料在环境友好性方面表现突出，其本身无毒，且生产成本较低。更重要的是，Bi能够与碘形成稳定的BiI?或BiOI化合物，这种化学结合特性使其在高温和宽pH范围下仍能保持良好的吸附性能。因此，Bi基材料被视为一种极具潜力的碘吸附剂。然而，单独使用Bi作为吸附材料时，其表面活性较高，容易发生自聚集现象，导致比表面积减少，从而降低吸附效率。因此，通过将Bi负载在载体材料上，制备成复合材料，是当前解决Bi自聚集问题、提高其吸附性能的重要研究方向。

在众多可能的载体材料中，聚丙烯腈（PAN）因其优异的物理性能、良好的有机溶剂溶解性、高孔隙率以及对无机材料的强粘附性而备受关注。此外，PAN作为氮含量丰富的化合物，含有大量氮基官能团，这些官能团在吸附过程中能够与碘发生化学反应，从而提高吸附效率。基于上述优势，研究者们尝试将Bi负载于PAN基质中，通过碳化工艺制备出Bi/PAN-P复合材料，以克服Bi自聚集的问题，提升其对碘蒸气的吸附能力。

本研究中，通过将不同含量的Bi（10 wt%、20 wt%、30 wt%、40 wt%、50 wt%）作为吸附剂，与PAN作为基质材料，DMSO作为溶剂，在250℃下进行碳化处理，成功制备出五种Bi/PAN-P复合材料。实验结果表明，Bi在Bi/PAN-P中分布均匀，且材料主要呈现出中孔结构，这为碘蒸气的快速扩散和吸附提供了有利条件。值得注意的是，Bi/PAN-P材料在碘蒸气吸附过程中表现出极高的吸附速率，其在90分钟内即可达到最大吸附容量的50%以上，远超纯PAN碳材料的吸附性能。特别是在Bi含量为30 wt%时，Bi/PAN-P的碘吸附容量高达4057 mg/g，约为商业银交换沸石的20倍，显示出其在碘吸附领域的巨大潜力。

从吸附机制来看，实验与模型模拟结果表明，Bi/PAN-P对碘蒸气的吸附主要通过化学吸附实现。这种吸附方式不仅提高了吸附效率，还增强了材料的稳定性，减少了碘的再释放风险。此外，Bi/PAN-P复合材料相较于传统的粉末状吸附材料，具有更便于回收和重复使用的优点，这为其在实际应用中的推广提供了可能性。该研究不仅验证了Bi/PAN-P材料在碘吸附方面的优越性能，也为核废料处理和核事故应急处理提供了新的技术路径。

Bi/PAN-P材料的制备过程相对简单，仅需通过混合Bi、PAN和DMSO，随后进行碳化处理即可获得。这一方法不仅降低了材料的制备成本，也提高了其可操作性和可重复性。在实际应用中，Bi/PAN-P材料能够有效应对放射性碘的污染问题，尤其是在核设施运行过程中产生的放射性碘废气处理方面，具有重要的现实意义。此外，该材料还可用于核废料的长期储存和处理，为核能的安全利用提供了坚实的保障。

从环境和经济的角度来看，Bi/PAN-P材料的开发符合当前可持续发展的需求。其非毒性特性确保了在使用过程中的安全性，而较低的生产成本则使得该材料在大规模应用中具备可行性。更重要的是，Bi/PAN-P材料的高吸附容量和稳定性，使其在实际操作中能够减少对吸附剂的更换频率，从而降低长期运行的成本。这不仅有助于提高核能利用的经济性，也为环境治理提供了更加高效和经济的解决方案。

综上所述，Bi/PAN-P复合材料的制备和应用为解决放射性碘污染问题提供了一种新的思路。通过合理调控Bi的含量，研究人员能够获得具有优异吸附性能的材料，其在吸附速率、吸附容量以及环境友好性等方面均表现出色。此外，该材料的结构特性（如中孔分布和Bi的均匀负载）使其在实际应用中具备良好的适应性和稳定性。因此，Bi/PAN-P材料有望成为未来核能安全领域中碘污染治理的重要工具，为人类社会的可持续发展做出积极贡献。