使用嵌入海藻酸盐大分子的钛酸盐纳米管高效去除水中Cs+和Sr2+

清理放射性水体为何重要

在核事故、医疗操作或常规电厂运行后，少量长寿命放射性金属可能进入水体。其中两个最令人担忧的元素是铯和锶——它们一旦进入食物链，可能在软组织和骨骼中积累。本研究探索了一种有前景的方法：用可降解、果冻状的聚合物包裹定制矿物纳米结构，以快速高效地捕获这些危险金属。

像海绵一样吸附金属的微小管状结构

研究者关注的是钛酸盐纳米管——由钛基矿物构成的空心针状颗粒。这些纳米管尺寸极小、比表面积极大，因此提供了大量金属离子吸附位点。团队从常见的二氧化钛粉末在高温碱性溶液中制备出纳米管。测试表明，所得纳米管稳定、尺寸均一，并覆盖有可抓取带正电离子（如铯Cs⁺和锶Sr²⁺）的化学基团。

从松散粉末到便于操作的微球

尽管裸纳米管在捕捉金属方面表现优异，但因为颗粒太细而难以从处理过的水中回收。为了解决这一问题，科学家将纳米管嵌入由海藻酸盐制成的微球中——海藻酸盐是从褐藻中提取的天然聚合物，已广泛用于食品和医疗品。当海藻酸盐遇到水中的钙离子时，会形成坚固的凝胶微球。通过在成球前混入纳米管，团队制得了一种复合材料（称为T/G），纳米管被困在毫米级的球体内，便于舀取或填装到过滤器中。

新材料净化水体的效果

在实验室测试中，纳米管粉末能非常快速地去除水中的铯和锶，在15–30分钟内达到接近最大吸附量。在弱碱性条件（约pH 8）和适中投加量下，纳米管可从稀溶液中去除约90%的铯和97%的锶。对材料吸附容量的详尽建模显示，纳米管表面具有多种位点，允许离子形成多层吸附，尤其是对锶。当纳米管被固定在海藻酸盐微球中时，总体去除率下降到铯约45–70%、锶约70–90%，主要因为每个微球中活性纳米管表面积比松散粉末少。然而，微球在可操作性和与水分离方面大大改进。

原子尺度上发生了什么

对材料使用前后的测量揭示了一个多步骤的捕获过程。首先，纳米管表面带有负极化的氧基团，会吸引带正电的铯和锶离子。随后，这些离子与富氧位点形成更强的键，产生稳定的配位复合物。最后，部分进入的铯和锶会置换出钛酸盐结构内天然存在的钠离子，完成离子交换。这种静电吸引、表面成键与离子交换相结合的机制，解释了纳米管尤其对锶表现出的快速作用和高容量。

滤料的再利用与前景

任何净化技术的关键问题之一是是否可重复使用。团队表明，纯纳米管和基于海藻酸盐的微球都可以通过用弱酸洗脱释放被捕获的金属、随后冲洗和再调理来再生。经过五个循环后，纳米管仍保持超过90%的原始性能，微球保留了超过85%，且结构保持完整。对于实际应用，作者指出需优化微球中纳米管与海藻酸盐的比例，并在包含多种竞争离子的真实废水中进行测试。尽管如此，研究表明钛酸盐纳米管，尤其是与简单生物聚合物微球结合时，是可扩展、可重复使用的去除放射性铯和锶的有力候选材料。

引用: Farouk, E., Zaki, A.H., Eldek, S.I. et al. Efficient removal of Cs⁺ and Sr²⁺ from water using titanate nanotubes embedded in alginate macromolecules. Sci Rep 16, 7483 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38030-8

关键词: 放射性水处理, 铯去除, 锶去除, 钛酸盐纳米管, 海藻酸盐微球