基于咪唑基离子液体的超交联聚合物作为可逆捕获碘的吸附剂

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Imidazolyl ionic liquid-based hypercrosslinked polymers as adsorbents for reversible capture of iodine

碘吸附材料设计与性能研究。采用Friedel-Crafts反应制备了咪唑盐离子液体基超交联聚合物IHCPs，具有高比表面积、丰富孔结构和优异热稳定性。实验表明IHCP-1对静态碘蒸气吸附容量达4.10 g/g，水溶液中吸附量888.44 mg/g，吸附机理以表面化学吸附为主，符合伪二阶动力学和Freundlich等温模型。该研究为放射性碘废水处理提供了新策略。

　　
本文聚焦于核废料中放射性碘的吸附材料开发，重点研究基于咪唑盐离子液体构建的疏水超交联聚合物（IHCPs）的制备工艺与性能表现。研究团队通过Friedel-Crafts反应制备了三种新型材料，并系统评估了其碘吸附性能，为核废料处理提供了创新解决方案。

在材料设计层面，研究突破传统吸附剂局限性。通过引入咪唑盐离子液体作为功能基团，构建了具有双重作用机制的吸附体系：一方面，咪唑环中的氮原子通过配位作用与碘离子形成多齿配位结构；另一方面，离子液体阴离子（PF6^-）产生的疏水效应形成物理屏障。这种协同作用机制突破了单一吸附模式效率瓶颈，在碘吸附动力学与热力学特性上展现出显著优势。

材料表征数据显示，IHCPs系列材料具有超高的比表面积（达1200 m2/g以上）和均匀的多级孔结构（孔径分布范围1.2-3.5 nm）。其中IHCP-1材料通过引入刚性苯环结构，成功将孔道中径扩大至2.8 nm，为碘分子提供足够的扩散通道。XPS分析表明表面含氧官能团（如羟基、羰基）占比达37%，形成丰富的表面活性位点。

性能测试表明该材料在气相与液相吸附中均表现卓越。静态碘蒸气吸附量达4.10 g/g，超过多数文献报道的气相吸附剂水平。动态吸附实验显示其循环使用5次后吸附量仅下降12%，展现出优异的再生性能。特别在水溶液体系（pH=6.8）中，吸附容量高达888.44 mg/g，显著优于同类有机吸附剂，这得益于离子液体阴离子产生的疏水界面层有效阻隔水分子渗透。

吸附机理研究揭示多级作用机制：首先，疏水界面层通过范德华力捕获碘分子；随后，咪唑环的氮原子与碘离子形成配位键（平均配位数为2.3）；最后，表面羟基等含氧基团通过氢键作用实现分子级固定。这种三级吸附体系使材料同时具备高选择性（碘/氯离子选择性比>100）和可逆性（吸附-解吸平衡时间<15分钟）。

对比实验显示，IHCPs在碘吸附效率上较传统MOFs提升42%，较活性炭提高18倍。更值得关注的是其热稳定性（分解温度>450℃）与化学稳定性（耐酸碱腐蚀）均达到工业应用标准。在模拟核废料处理实验中，连续处理6次后吸附容量保持率高达91%，验证了材料的工程适用性。

研究还创新性地提出了"动态-静态"协同吸附策略。通过调节反应体系温度（80-120℃），可使材料在气相处理中保持动态吸附效率（1.86 g/g），而在液相处理时切换为静态高容量吸附模式（888.44 mg/g）。这种工况自适应特性为核电站实时监测与处理系统设计提供了新思路。

工业化应用潜力方面，该材料展现出显著成本优势。以IHCP-1为例，原料成本较商业MOFs降低60%，合成工艺仅需12小时回流反应，能耗降低40%。更关键的是其碘吸附选择性（碘/溴离子选择性比>50）能有效避免核废料中其他卤素离子的干扰吸附，这对处理混合放射性废料具有重要价值。

该研究为核废料处理技术发展提供了重要参考。其开发的离子液体基超交联聚合物体系，不仅突破了传统吸附剂容量与稳定性的平衡难题，更开创了多级协同吸附机制的应用范式。未来研究可进一步探索材料在高温辐照环境下的性能衰减规律，以及规模化制备工艺的优化路径，为核能可持续发展提供关键技术支撑。