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【物质与材料研究机构】细微小孔捕捉放射性物质
[2012.06.29] 其它語言 : ENGLISH | 日本語 | 繁體字 | FRANÇAIS | ESPAÑOL | العربية |

独立行政法人物质与材料研究机构(总部位于茨城县筑波市)利用名为介孔物质、具有大量小孔结构的新材料,开发出了一种放射性物质吸附材料。为了清除土壤和海水的污染,研究人员正在努力推进该材料早日投入实际应用。

在日本发现的“介孔物质”

所谓介孔(mesoporous)物质,是一种拥有大量孔径为2-50nm(1纳米为1米的10亿分之1)小孔的多孔材料,它是大约20年前在日本发现的。其特点在于,由于拥有许多小孔,所以表面积极大。介孔的介(meso),是指介于纳米和微米中间之意。孔径在2nm以下的纳米孔,只能通过水和甲烷等极小分子;而稍微大一点的介孔,各种化合物的分子则能进入其中。因此,孔内会发生繁复多样的化学反应。

另一方面,介孔大小的细微小孔,令吸附的分子聚集在一起,无法自由移动,分子的排列和运动受到限制。因此,人们认为它或许拥有传统材料所不具备的独特性能,并期望可对孔内分子加以精密控制。现在,世界各国都在展开这种物质的研究,以期在触媒和光学材料等方面得到应用。

在化学反应中仅吸附放射性物质

物质与材料研究机构(NIMS)利用介孔物质开发出了一种吸附材料,该材料可以选择性地捕获溶液中所含的碘、锶、铯等放射性物质,清除过程十分简单。开发者是元素战略材料中心的高级研究员谢里夫・埃尔・萨夫提。他是埃及人,该中心还汇集了许多来自中东的研究人员。这是日本研究机构中比较少见的团队阵容。该研究机构正积极推进团队的国际化,中心内拥有众多来自海外的研究人员。

介孔二氧化硅:内部形成纳米级微孔结构

这种吸附材料,是在以“二氧化硅”为材料合成的介孔二氧化硅的小孔内壁填满可吸附放射性物质的化合物而制成的。这种“二氧化硅”是人们熟悉的食品保存剂“硅胶”的原料。由于小孔排布规整,拥有无数空隙,所以表面积扩大,吸附的化合物可以高密度大面积地布满其中。因此,可以捕捉到含量甚微的放射性物质。

谢里夫高级研究员解释说:“这种吸附材料的一个特点在于具有极佳的选择性。由于它只捕捉特定的物质,所以即使在含有盐分和矿物质的海水中,也可以将清除对象锁定在放射性物质上。”广泛用于离子交换材料和触媒的沸石等传统吸附材料,对特定物质的吸附能力较弱,结构相似的其他物质也会被一同吸附,因此效率较低。然而,新开发的吸附材料可以通过化学反应只吸附放射性物质,因此选择性极佳,效率也很高。

不过,他也表示,寻找适用于吸附放射性物质的化合物,可谓历尽了艰辛。他们反复进行了100多次试验,才最终相继开发出了适用于清除碘和锶的吸附材料。最近又成功开发出了针对铯的吸附材料。

新开发的吸附材料还可以借助化学反应检测放射性物质。比如,如果吸附了碘,吸附化合物随之发生反应,吸附材料就会变成绿色。由于这种颜色会随着碘的量而变化,所以可以简便地分析其中的含量。此外,还可以通过化学反应将吸附的放射性物质与吸附材料进行分离。

吸附材料的颜色随吸附的物质不同而变化。除了针对放射性物质的吸附材料外,谢里夫高级研究员还开发出了针对各种金属的吸附剂,它已作为饮用水中有害金属的净化剂得到了应用

实现出众的吸铯性能

在普鲁士蓝(亚铁氰化铁——译注)溶液中加入水溶性聚合物搅拌,成功合成了介孔普鲁士蓝

另一方面,物质与材料研究机构国际纳米构造研究基地的山内悠辅等独立研究人员开发出了一种利用“普鲁士蓝”颜料制成的吸铯材料。普鲁士蓝是一种含铁化合物,呈现鲜艳的蓝色。它呈立体方格架状的结晶结构,可将铯吸附在其空隙之内。由于它在人体内也能保持稳定的构造,因此在大量摄入铯的情况下,也可将之作为解毒剂使用。山内先生通过将普鲁士蓝的结晶改造为介孔结构,解决了长期以来对铯的吸附效率不高这个技术难题,成功提升了吸附铯的能力。

 

介孔普鲁士蓝的表面结构(左)与内部结构(右)密布于表面的小孔和内部的大孔(图片提供:山内悠辅独立研究员)

过去,人们曾尝试利用表面积较大的多孔材料来提升普鲁士蓝的吸铯能力,但利用模具来制造空心孔状结晶的传统方法,未能收到理想的效果。

山内先生解释说:“于是,我就想采用蚀刻(etching)方法在普鲁士蓝结晶上打孔。”全新开发的合成方法首先要将普鲁士蓝加工成均匀的颗粒,然后在它的溶液中加入水溶性聚合物。这样一来,聚合物便附着于颗粒表面。如果将溶液调整为酸性,没有附着上聚合物的部分就会溶于溶液,从而形成无数的小孔。

山内独立研究员正在分析介孔普鲁士蓝的结晶结构

据山内先生介绍,“我制造了大小不规则的空隙,尽可能地增大了表面积”。介孔普鲁士蓝1g的表面积为330㎡,是市面上普通普鲁士蓝的10倍以上。由于表面积增大,对铯的吸附量也一举提高了10倍以上。山内先生表示,他认为可以借助这种优秀的吸附能力,在处理污染土壤等方面发挥积极作用。

处理福岛第一核电站事故中泄露的放射性物质的工作,预计将是一项长期任务。尽管此次开发出来的吸附材料在进入实际应用阶段之前,还需要解决批量生产等课题,但是,人们依然期待着它对长期而艰巨的清污工作,做出切实而有效的贡献。

采访、撰文:佐藤成美
摄影:川本圣哉

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