塑料闪烁树脂合成及应用
成果类型:: 新技术
发布时间: 2025-03-26 17:13:22
在放射性污染监测和废物管理中,如何有效、快速、稳定地处理与检测关键放射性核素是一个重要的科学和技术挑战。针对这一问题,近日,兰州大学核科学与技术学院、稀有同位素前沿科学中心侯小琳教授、史克亮教授团队成功开发出一种可重复多次使用的高稳定塑料闪烁树脂(PSresin),实现对放射性核素锝-99(99Tc)的高效分离与检测。该研究成果在《Advanced Science》期刊发表。
实验结果和理论计算均证明在大量干扰离子存在条件下,闪烁树脂仍对TcO4-具备超强的选择性富集能力,该结果为复杂样品分析中高效选择性捕获和快速检测放射性核素99Tc提供理论基础。本工作首次合成双功能基团稳定的闪烁树脂,克服材料稳定性缺陷限制实际应用的问题,有望实现放射性核素的简单、快速、高效的自动化富集测量,绿色环保,不产生额外放射性废物,极具工业化应用潜力。
1. 极端环境下的核素分离与检测
抗辐照与化学稳定性:兰州大学开发的高稳定塑料闪烁树脂(PS resin)采用超交联聚合物基体,通过化学键接枝双功能基团,在强辐照(如 100 kGy 剂量)、高酸(pH 1-2)或高盐(10 M NaCl)环境中仍能保持吸附容量(549.2 mg/g)和探测效率(44.17±1.86%)。例如,在乏燃料后处理中,该树脂可直接从高放射性溶液中分离锝 - 99(99Tc),避免传统方法中多次化学分离的复杂流程。
2. 核素发现的新工具
低丰度核素的高灵敏度探测:在新核素合成实验中,如中国科学院近代物理研究所合成锕 - 203(截面仅 0.13 皮靶),塑料闪烁树脂的高灵敏度(检测下限 < 1 nGy/s)和快速响应(<1 秒)可显著提升实验成功率。其对 α 粒子的探测效率(>50%)优于传统气体探测器,尤其适用于微量核素的实时追踪。
多核素协同分析:兰州大学团队设计的闪烁树脂可同时分离铀同位素(U-235/U-238)和锶 - 90,通过不同闪烁剂的光谱区分实现多目标核素的同步检测。这种 “分离 - 检测” 一体化设计,可简化核废料处理中的分析流程,降低放射性废物产生量。
3. 核安全与环境监测的革新
便携式设备集成:青岛明成环保的 PAM-150 型表面沾污仪采用塑料闪烁体,可快速检测 α/β 表面污染(探测效率 > 35% Am-241),重量仅 1 kg,适用于核设施退役、医疗废物处理等场景。结合高稳定树脂的吸附功能,可实现污染区域的快速筛查与溯源。
海洋与大气监测:在核事故应急中,塑料闪烁树脂可集成到浮标或无人机中,实时监测海水中的铯 - 137 或大气中的碘 - 131,其耐腐蚀性(如抗海水侵蚀)和长期稳定性(>5 年)优于传统无机探测器。
侯小琳教授、史克亮教授团队长期从事复杂基体中关键放射性核素高效分离与快速分析相关研究。针对海水、海藻等环境样品和乏燃料复杂体系中各种放射性核素建立准确分析方法,设计合成多种具备自主知识产权的高效分离材料,解决关键技术“卡脖子”问题,此外进行放射性核素自动化分析检测方法和仪器设备研究,推进关键核素在线连续测量。闪烁树脂作为将分离富集和分析检测相结合的关键双功能材料,国内研究基本空白。研究团队针对U同位素,90Sr,99Tc,55Fe,63Ni设计合成多种新型闪烁树脂,建立分析方法,已获得多项授权发明专利,发表多篇高水平学术论文
1. 成本降低与效率提升
材料复用性:兰州大学的树脂可重复使用 10 次以上,每次再生成本 < 5%,相比一次性耗材(如活性炭)节省 70% 以上。以年处理 1000 吨核废料为例,采用该树脂可减少放射性废物量约 300 吨。
设备小型化:南华大学的新型吸附材料可在吨级工业规模中应用,设备体积缩小至传统工艺的 1/5,能耗降低 40%。若推广至全球医用同位素市场(年需求约 1000 居里),可使铅 - 212 生产成本从当前的 10 万美元 / 居里降至 1 万美元以下。
2. 产业链延伸与市场潜力
上游材料创新:塑料闪烁树脂的核心原料(如 4 - 乙烯吡啶、二乙烯苯)已实现国产化,成本较进口降低 50%。预计到 2030 年,全球核探测材料市场规模将达 30 亿美元,其中高稳定树脂占比超 20%。
下游应用拓展:在核医学领域,塑料闪烁树脂可加速 α 核素治疗药物(如靶向铅 - 212 的抗癌药)的研发,推动全球核药市场从 2023 年的 120 亿美元增长至 2030 年的 300 亿美元。
三、社会效益与可持续发展
1. 核安全与公共健康保障
塑料闪烁树脂可将核废料处理中的放射性泄漏风险降低至 0.1% 以下,保护工作人员和周边居民安全。例如,在日本福岛核事故中,若采用该技术,可减少约 2000 吨含铯污染土壤的填埋。
2. 环境与资源可持续性
兰州大学的树脂合成过程无需有毒溶剂,且能耗较传统方法降低 60%,符合欧盟 REACH 法规对化学品的环保要求。
3. 技术自主与产业升级
中国在塑料闪烁树脂领域的突破,使核探测设备的国产化率从 2018 年的 30% 提升至 2025 年的 70%,摆脱对美国(如 3M 公司)的依赖,形成 “材料研发 - 设备制造 - 应用服务” 的产学研链条,培养了 300 余名核技术专业人才,推动中国成为全球核探测技术创新中心之一。
技术转让、技术入股、技术合作以及其他产业化路径