核污染有救了！科学家找到一种去除核废水中放射性元素的新方法

核能继续在全球范围内扩张，部分原因是它在提供稳定电力输出的同时，很少产生温室气体排放。但随着核电站的扩建，冷却这些核电站所需的大量水也越来越需要处理，这些水被放射性同位素污染，需要进行长期的特殊处理。

现在，麻省理工学院想出一种新方法，通过大幅度减少需要处理的受污染水的体积，而不是集中于处于污染物，并允许其余的水通过工厂的冷却系统循环使用。相关论文发表在《环境科学与技术》杂志上，论作者是研究生Mohammad Alkhadra、化学工程教授Martin Bazant和其他三个人。

该方法利用了一种叫做激波电渗析的过程，利用电场在水中产生去离子化冲击波。冲击波将带电粒子或离子推到一个充满带电多孔材料的管道的一侧，这样高浓度的污染物就可以从其余的水中分离出来。研究小组发现，可以从含有硼酸和锂的水中选择性地去除两种放射性核素污染物——钴和铯的同位素。当水流中的钴和铯污染物被清除后，可以在反应器中重复使用。

如图所示，实验室中使用了一个小型装置来演示基于冲击波的新系统去除核电站冷却水中的放射性污染物的有效性。图片来源于研究者。

激波电渗析法最初是由Bazant和他的同事开发的，作为一种从水中除盐的通用方法，四年前他们的第一个可扩展的原型就展示了这一点。现在，这个团队已经把重点放在这个更具体的应用上，它可以帮助改善运行中的核电站的经济效益和环境影响。除此之外，他们还在继续开发一种去除饮用水中铅等其他污染物的系统。

Bazant说，这种新系统不仅便宜，而且可扩展到更大的尺寸，而且在原则上它还可以处理各种污染物。“这是一个单一的设备，可以执行任何特定的应用程序的整个范围的分离。”他说。

在他们早期的海水淡化工作中，研究人员通过测量海水的导电性来确定去除了多少盐。从那以后的几年里，该团队开发了其他方法来检测和量化浓缩放射性废物和净水中的成分。

Bazant说:“我们仔细测量所有进出的物质的成分。“这确实为我们的研究开辟了一个新的方向。”他们开始专注于分离过程，因为这十分有用，或浓缩出的材料有很高的价值，无论是重复使用或抵消处置成本。

他们开发的方法适用于海水淡化，但这是一个相对能源密集型的应用过程。当该方法用于离子选择性分离，如从核电站冷却水等稀流中分离时，能量成本会显著降低。Bazant说，对于这种同样需要昂贵处理费用的应用，这种方法在经济上是有意义的。这种方法也达到了团队的两个目标:处理高价值的材料和帮助保护健康。另一参与者Alkhadra说，应用的规模也很可观——一个大型核电站每年可以通过它的冷却系统循环大约1000万立方米的水。

在对该系统的测试中，研究人员使用了模拟的核废水，其配方是由三菱重工提供的。在该团队的测试中，经过三个阶段的分离过程，他们能够去除水中99.5%的钴放射性核素，同时保留了大约43%的清洁水，这样就可以重复使用。研究小组发现，如果清洁水平降低到去除污染物的98.3%，多达三分之二的水可以重复使用。

Bazant说，虽然整体方法有许多潜在的应用，但核废水分离是“我们认为我们可以解决的第一个问题之一(用这种方法)，没有其他解决方案。”他补充说，目前还没有其他实用的、连续的、经济的方法来分离钴和铯的放射性同位素，而这是核废水的两种主要污染物。

这一方法在用于日常清理的同时，在处理更极端的情况下它也可以产生很大影响,如在日本，福岛核电站泄露致使数百万加仑的水受污染，为防止泄漏到邻近的太平洋，累积起来的受污染的水威胁着密封系统。尽管新系统迄今为止只在小得多的规模上进行了测试，Bazant表示，基于这种方法的大规模净化系统可能在“几年内”实现。

研究团队还包括麻省理工学院博士后Kameron Conforti、Tao Gao和研究生Huanhuan Tian。