基于羧酸类配体金属有机框架材料的新型含氚废水精馏填料及相关个体辐射防护研究
作者单位：苏州大学
学位级别：硕士
导师姓名：王殳凹;刘汉洲;ShuoWang
授予年度：2023年
学科分类：1004[医学-公共卫生与预防医学(可授医学、理学学位)] 100402[医学-劳动卫生与环境卫生学] 10[医学]
摘 要：发展清洁能源是我国能源发展的战略目标,核能作为一种清洁、安全、高效的能源越来越受到广泛关注。然而,核能的开发利用过程中,含氚废水的处理一直是一个难题。大量含氚废水进入环境会导致环境氚本底提升,对环境和人类健康带来未知的危害。因此,研发一种高效的低活度含氚废水处理技术对核能的可持续发展具有重要意义。本文重点研究了水精馏填料技术,旨在降低能耗的同时提高水精馏效率,使水精馏技术在含氚废水处置领域具有更高的实际应用价值。同时,由于氚具有放射性,其相关个体辐射防护也是至关重要的。我们对外照射防护中所常用的热释光剂量计(thermoluminescent dosimeters,TLD)进行材料体系创新,以弥补传统热释光材料在材料选择、合成温度以、退火条件和机理解释等方面的不足,提高从事放射性操作人员的个体防护能力。本文的研究内容主要分为两部分:第一部分(第二章)是基于金属有机框架材料的新型含氚废水精馏填料的合成与应用研究;第二部分(第三章)是含氚废水精馏过程中相关个体辐射防护新型热释光剂量计的合成与应用研究。第一部分:含氚废水作为核能与核技术开发利用过程中的主要放射性流出物,传统的处理方式通过“稀释—弥散的方式排放。而随着我国核电数量的增加和内陆核电站建设的需求,以及日本福岛核事故的影响,含氚废水的处置越来越引发关注。与其他的高耗能的处理方式相比,水精馏具备的安全、稳定、通量大的处理特点,但是分离效率低而导致的高能耗是水精馏技术实际应用的最大瓶颈。通过设计研发新型的精馏填料是提高精馏效率的关键因素之一。金属有机框架材料(Metal-organic frameworks,MOFs)是一种新型多孔晶体,具有亲水性好、比表面积大、辐射稳定性的特点,完全符合水精馏填料的要求。本文通过利用原位生长技术,将Cu(tpa)·(dmf)(tpa=对苯二甲酸,dmf=N,N-二甲基甲酰胺)负载到腐蚀后的铜网(Corroded Copper Mesh,Corroded CM)上,获得了一种亲水性优异的新型精馏填料Cu(tpa)·(dmf)@CM。通过PXRD、FT-IR、TGA、接触角以及BET等分析其水稳定性、亲水性以辐照稳定性等性能。最后将合成的新型精馏填料Cu(tpa)·(dmf)@CM装载在自组装搭建的精馏塔中进行氢/氖(H2O/D2O)精馏分离实验。实验结果表明,新型精馏填料具有良好的H2O/D2O分离效果,理论塔板数是原始精馏填料铜网的3.4倍,显示出优异的H2O/D2O分离能力。第二部分:传统的热释光材料因缺陷的生成具有随机性和盲目性,导致材料的设计性和预测性较差,同时材料体系单一,主要以无机掺杂体系为主,材料体系创新性不足。因此,开发机理明确、设计性强的的新型TLD材料体系,对于TLD的发展和辐射探测的需求具有重要意义。本文采用结构清晰的MOFs材料,利用稳定自由基机制,设计研发了一类新型的TLD材料。实验中通过选用高原子序数的Pb作为金属中心和2,5-二甲基对苯二甲酸作为有机连接点,设计合成具有独特的双配位模式、高射线阻滞能力的新型TLD(SCU-300)。通过对其热释光性能的探究以及DFT理论计算相结合,提出与传统热释光的缺陷理论不同的热释光机理,即自由基热释光机制。实验结果显示,SCU-300展示出良好的辐射探测性能,探测下限达到2.81×10-3 Gy,可以用于相关个体辐射防护研究。总之,本文将探讨MOFs在氚水精馏分离和相关个体辐射防护的TLD辐射探测新材料中的应用,旨在为MOFs在这些领域的研究和应用提供借鉴和指导,同时也为相关领域的创新研究提供一定参考意义。
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