核电的发展及核安全事故的发生会造成放射性铯的泄露,同时由于铯离子高溶解性的特点,能够在环境中快速迁移,造成水体及土壤等环境的污染。此外放射性铯还会通过食物链等方式进入人体,诱发多种疾病,威胁人类健康。另一方面,铯也是一种重要的资源。因此,铯的高效吸附分离具有重要的战略意义。目前针对环境(土壤及水体)中铯离子去除的相关研究都取得了一定的进展。但仍然存在一定的问题和挑战,如:水溶液中铯离子快速大容量的吸附、黏土中铯离子的高效吸附分离以及实际可操作性等。而人体中铯离子的去除目前缺乏直接、高效、低毒副作用的方法。因此研究新材料、新技术用于环境及人体中铯离子的吸附分离意义重大。众所周知,普鲁士蓝及其类似物对铯离子具有很强的亲和力,且具有无毒、环境友好和低成本等特点。本论文拟围绕土壤、水体以及人体中铯离子的去除,以普鲁士蓝及其类似物为基础,针对吸附环境的不同要求和特点,设计合成一系列普鲁士蓝功能复合材料,研究新材料及技术以解决上述相关问题。系统研究材料结构性能对铯离子的吸附性能的影响、吸附条件的优化以及材料的吸附机理。具体研究内容如下:(1)普鲁士蓝纳米晶体交联温敏性聚合物网络用于水体中铯离子的大容量吸附通过自由基共聚合成聚(五氰基(4-乙烯基吡啶)铁酸盐-co-磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯),然后利用Fe3+交联共聚物,得到普鲁士蓝纳米晶体交联聚磺酸甜菜的聚合物网络。FT-IR、EDX、SEM、TEM、XRD、DLS等表征证明了温敏性聚合物网络的成功合成。温度高于UCST时,对吸附效率有增强的作用。聚合物网络能够防止普鲁士蓝纳米晶体的聚集并保持材料有效的比表面积,这有利于促进并实现铯离子的大容量吸附。类似的概念可适用于其他吸附系统:热敏性能和热力学行为的协同效应可以增强吸附。根据吸附等温线数据,通过Langmuir模型拟合得到的最大吸附容量达到465.1 mg/g,是迄今为止所报导最大的吸附容量。吸附动力学实验结果表明材料对铯离子的吸附过程遵循二级动力学过程,为化学吸附速率主导。在2h内可以达到吸附平衡。由于材料中普鲁士蓝的晶格尺寸及负电位的性质,对铯离子展现出了高选择性。材料能够通过0.5 mol/L的盐酸循环再生,五次吸附-脱吸附循环后仍具有较高的吸附效率。通过XRD及XPS表征和分析,发现材料吸附铯离子的机理如下:铯离子与氰基之间存在相互作用以将铯离子困在普鲁士蓝的晶格中。(2)聚五氰基(4-乙烯基吡啶)铁酸盐功能化无纺布材料用于水体中铯离子的有效吸附利用γ辐照将聚4-乙烯基吡啶接枝到聚丙烯无纺布上,然后通过与五氰基单氨合铁酸钠配体交换得到聚五氰基铁酸盐功能化无纺布。SEM、FT-IR、XPS及接触角等表征证明了无纺布材料的成功制备。材料对铯离子的吸附遵循二级动力学过程,为化学吸附主导。在pH 7.0和298.15 K条件下,24分钟内吸附平衡并展现出高选择性。根据吸附等温线数据,由Langmuir方程计算的最大吸附容量为47.4 mg/g。且吸附速率与吸附容量与材料的接枝率密切相关,接枝率越大,吸附越快且吸附容量越大。XPS分析表明吸附机理涉及在铯和氰基之间形成配位和共价键。此外,0.1 mol/L的NaOH溶液能够有效再生吸附材料。值得注意的是,与纳米吸附剂相比,功能配体与非织造织物的共价组合可以改善实际可操作性,并且可以避免在吸附过程中配体从吸附材料中洗脱。(3)聚乙二醇修饰普鲁士蓝磁性纳米粒子用于人体血液中铯离子的去除在三氯化铁的乙二醇溶液中加入聚乙二醇、醋酸钠、十二烷基磺酸钠和盐酸,利用一锅水热法合成表面聚乙二醇修饰的普鲁士蓝磁性纳米粒子。SEM、TEM、FT-IR、XRD等表征证明了纳米粒子的成功制备。材料在水溶液中对铯离子的吸附动力学过程遵循二级动力学模型。在pH 7.0、吸附剂用量为0.167 g/L、298.15 K温度条件下,吸附在1小时内达到平衡。通过Langmuir吸附模型计算出其最大吸附量qmax为274.7 mg/g。纳米粒子在大量竞争及共存离子的环境中对铯离子仍具有较高的吸附选择性。材料能够通过0.5 mol/L的盐酸循环再生,五次吸附-脱吸附循环后仍具有较高的吸附效率。研究表明纳米粒子对铯离子的吸附大概包含40%的化学吸附及60%的物理吸附。同时,该材料在生理环境中表现出良好化学稳定性和吸附性能稳定性。聚乙二醇能够提高材料的生物相容性,减低毒副作用,同时提高材料的分散性。初始铯离子浓度为168.4 ppb时,血液中的去除效率达到64.8%,效果远胜传统的促排药物。这项工作提供了一种利用生物相容的普鲁士蓝磁性纳米粒子直接从人体中去除铯离子的新方法。(4)类普鲁士蓝功能化磁性微凝胶用于黏土中铯离子的吸附分离利用双氧水和盐酸制备离子化的壳聚糖。通过表明聚合和配体交换反应合成类普鲁士蓝磁性微凝胶。将类普鲁士蓝功能化磁性微凝胶与离子化壳聚糖用于铯污染黏土的协同净化。SEM、TEM、FT-IR、DLS等表征证明了类普鲁士蓝功能化磁性微凝胶和离子化壳聚糖的成功制备。200 mg/g clay用量的离子化壳聚糖能够在2 h内对铯污染黏土实现88%铯离子的脱附。磁性微凝胶在水溶液体系中的吸附过程遵循二级动力学过程,为化学吸附主导。在pH 7.0、吸附剂用量为2.0g/L、铯离子浓度1.0 ppm的条件下,类普鲁士蓝功能化磁性微凝胶在可以在20 min内达到吸附平衡。通过吸附等温线数据,利用Langmuir吸附模型计算出其最大吸附量qmax为149.70 mg/g。将壳聚糖与磁性微凝胶结合能够实现对铯污染黏土 83.7%的净化效率。同时,微凝胶能通过静电作用吸附壳聚糖去除溶液中约90%的残留壳聚糖。这项工作提供了一种放射性污染黏土除铯的新型材料体系。