Selective Removal of Radioactive Cesium from Nuclear Waste by Zeolites: On the Origin of Cesium Selectivity Revealed by Systematic Crystallographic Studies

沸石 八角石 离子交换 吸附 化学 无机化学 选择性 海水 离子 核化学 催化作用 有机化学 海洋学 地质学
作者
Ha Young Lee,Hu Sik Kim,Hae‐Kwon Jeong,Man Park,Dong-Yong Chung,Keun‐Young Lee,Eil‐Hee Lee,Woo Taik Lim
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:121 (19): 10594-10608 被引量:77
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.7b02432
摘要

Selective ion-exchange with zeolites has been considered as one of the most promising means to remove a radioactive isotope of cesium, 137Cs, present in low concentration in seawater. However, there has been no report on the fundamental structure–property relation of zeolite-based Cs ion-exchangers. In this study, we investigate the origin of the selectivity of the radioactive cesium isotope in zeolite frameworks using zeolite A (LTA) as a model system. We prepared seven single crystals of fully dehydrated and partially cesium exchanged Zeolite A (LTA) with different Cs+/Na+ ratios. Their single-crystal synchrotron X-ray diffraction experiments revealed the significant differences in the degree of exchange and the site selectivity of Cs+ ions depending on the initial Cs+ concentrations in given ion exchange solutions. The degree of Cs+-ion exchange increases from 15.8 to 44.2% as the initial Cs+ concentration increases and the Na+ content decreases. In addition, it was found that Cs+ ions are energetically preferred and occluded in the center of eight-oxygen rings. With this finding, we tested the Cs adsorption capacity of pure zeolite Rho which has much more eight-oxygen rings than zeolite A along with commercial faujasite-type zeolite and titanosilicate from deionized water and seawater. Zeolite Rho showed significantly better performance on the Cs removal in the presence of high salt contents (i.e., seawater) than faujasite-type zeolite and titanosilicate.
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