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【物質與材料研究機構】細微小孔捕捉放射性物質
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獨立行政法人物質與材料研究機構(總部位於茨城縣筑波市)利用名為介孔物質、具有大量小孔結構的新材料,開發出了一種放射性物質吸附材料。為了清除土壤和海水的污染,研究人員正在努力推進該材料早日投入實際應用。

在日本發現的“介孔物質”

所謂介孔(mesoporous)物質,是一種擁有大量孔徑為2-50nm(1奈米為1公尺的10億分之1)小孔的多孔材料,它是大約20年前在日本發現的。其特點在於,由於擁有許多小孔,所以表面積極大。介孔的介(meso),是指介於奈米和微米中間之意。孔徑在2nm以下的奈米孔,只能通過水和甲烷等極小分子;而稍微大一點的介孔,各種化合物的分子則能進入其中。因此,孔內會發生繁複多樣的化學反應。

另一方面,介孔大小的細微小孔,讓吸附的分子聚集在一起,無法自由移動,分子的排列和運動受到限制。因此,人們認為它或許擁有傳統材料所不具備的獨特性能,並期望可對孔內分子加以精密控制。現在,世界各國都在展開這種物質的研究,以期在觸媒和光學材料等方面得到應用。

在化學反應中僅吸附放射性物質

物質與材料研究機構(NIMS)利用介孔物質開發出了一種吸附材料,該材料可以選擇性地捕獲溶液中所含的碘、鍶、銫等放射性物質,清除過程十分簡單。開發者是元素戰略材料中心的高級研究員謝里夫・埃爾・薩夫提。他是埃及人,該中心還匯集了許多來自中東的研究人員。這是日本研究機構中比較少見的團隊陣容。該研究機構正積極推進團隊的國際化,中心內擁有眾多來自海外的研究人員。

介孔二氧化矽:內部形成奈米級微孔結構

這種吸附材料,是在以“二氧化矽”為材料合成的介孔二氧化矽的小孔內壁填滿可吸附放射性物質的化合物而製成的。這種“二氧化矽”是人們熟悉的食品保存劑“矽膠”的原料。由於小孔排布規整,擁有無數空隙,所以表面積擴大,吸附的化合物可以高密度大面積地佈滿其中。因此,可以捕捉到含量甚微的放射性物質。

謝里夫高級研究員解釋說:“這種吸附材料的一個特點在於具有極佳的選擇性。由於它只捕捉特定的物質,所以即使在含有鹽分和礦物質的海水中,也可以將清除對象鎖定在放射性物質上。”廣泛用於離子交換材料和触媒的沸石等傳統吸附材料,對特定物質的吸附能力較弱,結構相似的其他物質也會被一同吸附,因此效率較低。然而,新開發的吸附材料可以通過化學反應只吸附放射性物質,因此選擇性極佳,效率也很高。

不過,他也表示,尋找適用於吸附放射性物質的化合物,可謂歷盡了艱辛。他們反覆進行了100多次試驗,才最終相繼開發出了適用於清除碘和鍶的吸附材料。最近又成功開發出了針對銫的吸附材料。

新開發的吸附材料還可以藉助化學反應檢測放射性物質。比如,如果吸附了碘,吸附化合物隨之發生反應,吸附材料就會變成綠色。由於這種顏色會隨著碘的量而變化,所以可以簡便地分析其中的含量。此外,還可以通過化學反應將吸附的放射性物質與吸附材料進行分離。

吸附材料的顏色隨吸附的物質不同而變化。除了針對放射性物質的吸附材料外,謝里夫高級研究員還開發出了針對各種金屬的吸附劑,它已作為飲用水中有害金屬的淨化劑得到了應用

實現出眾的吸銫性能

在普魯士藍(亞鐵氰化鐵——譯註)溶液中加入水溶性聚合物攪拌,成功合成了介孔普魯士藍

另一方面,物質與材料研究機構國際奈米構造研究基地的山內悠輔等獨立研究人員開發出了一種利用“普魯士藍”顏料製成的吸銫材料。普魯士藍是一種含鐵化合物,呈現鮮豔的藍色。它呈立體方格架狀的結晶結構,可將銫吸附在其空隙之內。由於它在人體內也能保持穩定的構造,因此在大量攝入銫的情況下,也可將之作為解毒劑使用。山內先生通過將普魯士藍的結晶改造為介孔結構,解決了長期以來對銫的吸附效率不高這個​​技術難題,成功提升了吸附銫的能力。

 

介孔普魯士藍的表面結構(左)與內部結構(右)密布於表面的小孔和內部的大孔(圖片提供:山內悠輔獨立研究員)

過去,人們曾嘗試利用表面積較大的多孔材料來提升普魯士藍的吸銫能力,但利用模具來製造空心​​孔狀結晶的傳統方法,未能達到理想的效果。

山內先生解釋說:“於是,我就想採用蝕刻(etching)方法在普魯士藍結晶上打孔。”全新開發的合成方法首先要將普魯士藍加工成均勻的顆粒,然後在它的溶液中加入水溶性聚合物。這樣一來,聚合物便附著於顆粒表面。如果將溶液調整為酸性,沒有附著上聚合物的部分就會溶於溶液,從而形成無數的小孔。

山內獨立研究員正在分析介孔普魯士藍的結晶結構

據山內先生介紹,“我製造了大小不規則的空隙,盡可能地增大了表面積”。介孔普魯士藍1g的表面積為330㎡,是市面上普通普魯士藍的10倍以上。由於表面積增大,對銫的吸附量也一舉提高了10倍以上。山內先生表示,他認為可以藉助這種優秀的吸附能力,在處理污染土壤等方面發揮良好作用。

處理福島第一核電廠事故中洩露的放射性物質的工作,預計將是一項長期任務。儘管此次開發出來的吸附材料在進入實際應用階段之前,還需要解決大量生產等課題,但是,人們依然期待著它對長期而艱鉅的清除污染工作,做出切實而有效的貢獻。

採訪、撰文:佐藤成美
攝影:川本聖哉

  • [2012.06.29]
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