日本再次计划将核废水排入海洋！沸石扮演着怎样的角色？

2011年3月11日下午，日本发生9级地震，从而造成东京电力公司福岛第一核电站发生了严重的核泄漏事故，这是继切尔诺贝利事故发生25年后，世界遭遇的最严重核泄漏事故，在处理该事故中，沸石作为重要吸附材料被应用其中。十年后的2021年4月13日，日本政府正式决定将福岛第一核电站存储的核处理废水再次“吸附、处理”排入海洋。此次排放的含有放射性核素的废水总量约为120万吨，即1000多个储水容量为1000吨左右的储水罐存储的水量。

突出其来的消息，让日本国内和国际社会都十分震惊和愤怒，本已逐渐逐渐淡却的事件又闪现于大众视野中，“核泄漏”、“放射性物质”、“生态严重破坏”、“灾难”等字眼以及大量骇人听闻的事件让人们对于核泄漏事故恐慌不已。沸石作为强吸附性环保材料，在包括切尔诺贝利核电站、福岛第一核电站两次重大核泄漏事故中发挥出自身强大作用，而在如今日本倾倒核废水事件中，相信沸石也同样发挥出重要作用，今天我们就来揭秘这块小小的石头是如何来吸附核泄漏废水中放射性物质的吧！

事件回顾日本偏要核废水入海？

2011年3月，日本大地震导致福岛核电站大量放射性物质泄漏，事故过后，福岛核电站目前每天都会产出140吨核废水。在此事故中，沸石作为性能优良的吸附剂，其结构特殊、具有较高热稳定性，对放射性核素选择性好、吸附容量高，因此被当时日本政府大量投放到海中吸收辐射物质，并起到了良好的效果。

福岛第一核电站3号机组附近沸石被投放到海中吸收辐射物质

东京电力公司预计，在2023年核电站核废水储存罐将达到极限，此后无法继续存储每日高产的核废水，因此，经过谈论之后，2021年4月13日，日本政府无视国内国际舆论的质疑和反对，召开有关内阁会议正式决定将东京电力公司福岛第一核电站内储存的核废水再次经过滤并稀释后排入大海，排放将于约2年后开始。整个排放预计持续20年至30年，至2041年至2051年福岛核电站完成反应堆废除工作才结束。此举一出，世界哗然，包括日本渔业协会、中国外交部、韩国外交部、大分县立护理科学大学均持反对意见。有专家分析指出，核废水一旦排出，日本太平洋沿岸海域将受到影响，特别是福岛县周边局部水域，之后污水还会污染中国的东海地区。

正常运行的核电站需要用完善的防护设施来限制放射性物质的外泄，福岛核电站此次处理的是液态废物——放射性废水。这些废水包括核燃料在反应时释放的大量中子和伽玛射线，其可以直接击穿人体的DNA链条，导致人体细胞不再进一步复制。众所周知，正常人每天细胞都会产生大量复制，以此来维持生命，而DNA的损伤导致不再复制，则会对人体造成不可逆的伤害，其对于自然环境也有着巨大的负面影响与伤害作用。

沸石：两次挽救世界核泄漏灾难

在上世纪80年代，前苏联切尔诺贝利核电站也曾发生严重核泄漏，15年内6-8万人死亡，13万人遭受各种程度的辐射疾病折磨。科学家们经过反复研究，辐射区域铺满了沸石，将其广泛应用于事故后的环境修复。而后研究学者Osmanlioglu等人考察，证明沸石能够对切尔诺贝利核电厂放射性废液中主要核素 137Cs、60Co、90Sr 和 110mAg有着良好的去除效果。

此次日本倾倒核废水事件，让大众将焦点又回归到核电站泄漏问题中。作为迄今全球最严重核事故之一，福岛核电站事故对海洋环境、食品安全和人类健康产生了深远影响。如前文所述，正是由于沸石优秀的吸附性能，才能在日本核泄漏治理时力挽狂澜，阻止了放射性物质在水体、土壤中的蔓延。

福岛核废水处理系统示意图

实际上，日本专家称此次在海中倾倒核废水，并不是未经处理的燃料棒降温废水直接排放。其经过采用多核素去除装置（ALPS，Advanced Liquid Processing System）来对氚、锶、铯、钴等进行放射性核素的处理，并且该装置主要原理为“吸附”作用。核废水经铁盐、碳酸盐的共沉淀后，进一步采用多种过滤材料进行吸附，最终使废水中的核素含量达到限值以下。而结合2011年日本处理福岛核电站部分废水技术环节（沸石吸附-沉淀处理技术）来看，该装置中很有可能包含沸石这种优秀吸附材料。

针对此次措施，东电表示：在排放核废水时，水中所含氚将被稀释到日本核电站废水氚排放国家标准，即每升水中氚活度6万贝克勒尔的四十分之一以下，同时也将达到世界卫生组织饮用水标准的七分之一。

福岛核废水处理全景示意图

原理揭秘为何沸石能吸附放射性物质？

日本此次排放核废水必然会引起一定的健康安全问题，但是我们却不可忽视沸石在吸附放射性物质中的作用。对于放射性物质氚、铯、钴、锶等来说，最常用的为吸附或离子交换技术。沸石因其特有的结构，加之具有较强的辐照稳定性，巨大的吸附容量，因此特别适合放射性废物的长期储存，并且不会再产生二次废物，且具有较强的净化能力，因此被广泛应用于核工业中放射性物质的吸附环节中，其具体应用主要集中在2个方面：高放射性废物的去除；放射性废物的长期贮存。

福岛核泄漏事故中沸石处理废水环节

吸附氚

根据3月25日，日本向国际原子能机构提供的2月份福岛第一核电站的排放记录和海水监测结果报告显示：每升海水所含的氚放射量为1100左右，超出了限定测量值。

沸石作为一种无机材料，其对H2O、NH3、H2S、CO2 等高分子极性具有很高的亲和力，尤其对于水，低分压（甚至是在133帕以下）或低浓度、高温甚至在 100℃以上）等十分苛刻的条件下仍然有很高的吸附容量和较高的吸附速率。中国工程物理研究院的罗德礼等人通过试验证明，沸石能够对核废水中的氚元素进行有效吸附、去除，且经改性后的沸石分子筛能可让其吸附率达到99%。另外，研究人员李威通过试验数据证实，沸石对氚化水气体的过滤效率会随温度升高而加强，其平均过滤效率基本为90%以上。

值得一提的是，除了能够有效吸附放射性物质外，目前沸石也作为核工业领域中的防护过滤材料被应用于防护装备中。

沸石防氚面具

吸附铯

环境学家张振国《沸石材料吸附水中放射性锶和铯的研究进展 》中提到，在2011年福岛核电站事故后的高浓度放射性废水（137Cs活度为107～109Bq/L）处理中，先后建立了两套铯吸附设备，利用吸附柱内填充的沸石去除废水中铯等核素，两套设备并联运行，保证对137Cs的去污因子达到104～106，从而有效控制了放射性物质在水体中的蔓延。

北京师大化学系放射化研究室与国外研究结构均通过试验证明: 当含低放射性废液通水容量比值达到5000，沸石对137Cs仍有99%的除去能力，并且通过沸石对137Cs的交换性能进行试验，模拟1mol/LHNO3介质的强放射性废水中，137Cs的回收率高达96%。

另外，矿物学家丁振华也通过研究得出结论，沸石对于放射性物质的选择性比其他的碱元素和碱土元素阳离子高得多。1个柱容积的斜发沸石可以从含24mg/L Ca2+和Mg2+的50000柱容积的水中去除137Cs，其去除率为99%，其与前文所述试验结果一致，且交换了137Cs的沸石可直接作为放射源使用。

吸附钴、锶

沸石具有的多孔结构与强稳定性，使其能够对放射性钴、锶等元素进行吸附、去除。与有机材料相比，沸石能够有效抵抗由电离辐射作用引起的树脂降解等。同时，沸石可用于长期贮存长寿命的钴、锶等放射性同位素。

尽管相关科学研究不断取得进展，但是放射性废物的处理和处置仍然是世界一大难题。沸石作为一种优秀的无机吸附材料，在应用于世界严重的核泄漏事故中，很好地完成了废水处理、环境修复等工作，让世人见证了它的“神奇”。当前，沸石也已经广泛应用于国内外的核工业处理技术中，相信我们只要继续加强对沸石的开发研究与应用，必然能够发挥其更强的吸附、净化作用，从而更好地解决世界核污染难题。

数据来源自：知网、万方、sci-hub、BASE