南华大学曾庆意团队在含铀废水资源化处理方面的新突破与进展

随着国家碳中和战略的不断推进，核能作为低碳清洁能源的代表，其规模不断扩大，而铀作为核燃料的重要原料，其需求也在不断攀升。

然而，铀的开采和提取过程中会产生大量含铀废水——通常生产1吨铀会伴随数千吨废水，这些废水中不仅含有高浓度的无机酸、金属离子，还往往混杂大量有机物。

这些有机物与UO ₂ ²⁺ 离子之间形成的络合物（即“破络”难题，图1）使得常规化学沉淀、膜分离、离子交换及吸附等技术难以高效回收铀，同时也增加了二次污染风险。

图1. UO ₂ ²⁺ 离子不饱和配位结构易与有机配体络合。

环境风险加剧：未经处理的含铀废水排放会污染地表水、地下水及土壤，对生态系统和人类健康构成威胁。

资源浪费与经济负担：高浓度废水中的铀如果不能有效回收，不仅浪费资源，还会增加后续处理的经济和环境成本。

因此，实现含铀废水的资源化处理，不仅能降低环境污染风险，还能提高核燃料的资源利用率，具有重大的生态、经济和战略意义。

针对复杂含铀废水或水体中有机物与铀络合而阻碍铀还原-固定的关键科学问题，结合有机物是优异电子供体，可用于铀还原这一潜在互补关系，曾庆意教授团队在前期高效光电极材料和自驱动PEC体系研究的基础上（Nano Energy, 2017, 41, 225–232；Nano Energy, 2020, 67, 104237；Applied Catalysis B: Environmental, 2018, 238, 309–317；Journal of Hazardous Materials, 2020, 394, 121425；ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 2, 2505-2515；Chinese Chemical Letters, 2021, 32, 2212-2216；Chemical Engineering Journal 473 (2023) 145162），利用一体化光阳极吸收光能产生活性物种氧化有机物并捕获其电子实现破络，同时驱动电子转移到阴极进行铀还原，实现有机物电子→光电极→阴极→ UO ₂ ²⁺ 的电荷迁移新途径，开发了新型协同破络与铀还原的自驱动PEC体系（图3）。

图3. 新型协同破络与铀还原的自驱动PEC体系的机理图（J Hazard Mater465 (2024) 133415.）。

自驱动PEC体系设计

光阳极功能：利用光阳极吸收太阳能，激发出高能电子与空穴，空穴产生的强氧化性物质（如·OH自由基）能够氧化有机物并夺取有机物的电子，同时打断铀与有机物之间的络合键。

阴极优化：通过对碳基阴极进行功能化修饰（如修饰SnS?纳米片），大幅提升阴极的电子传输效率和铀选择性吸附性能，使得U(VI)能够被快速还原为不易溶解的U(IV)，从而实现高效回收。

自驱动特性：系统整合了前后光电元件，实现了无需外加电源便能驱动整个反应过程，同时将部分化学能转化为清洁电能，为废水处理增添了附加价值。

协同降解与回收机制

在同一体系内，光生空穴不仅可以降解有机物，还能破坏 UO ₂ ²⁺ -有机络合物，使铀以游离状态迅速被阴极吸附。

同时，光生电子经过高效传输，在阴极上还原U(VI)为U(IV)沉淀，从而实现铀的固定与回收。

这一协同机制大幅提高了铀的去除速率，并促进了有机污染物的彻底矿化，实现了污染治理与资源回收的双赢。

阴极作为铀固定的关键场所，其铀选择性吸附与还原性能对体系性能至关重要。为此，课题组开展了大量新型铀还原阴极材料的研究，包括MOF及其衍生物（Appl Catal B: Environ Energy 347 (2024) 123808；Desalination 591 (2024) 118014；Sep Purif Technol 354 (2025) 129233）、MXene及其衍生物（J Hazard Mater 465 (2024) 133415）、有机聚合物（Chem Eng J 480 (2024) 148363）、金属硫化物(J Hazard Mater 480 (2024) 135861)、金属氧化物(Sci Total Environ 928 (2024) 172353、J Colloid Interf Sci 687 (2025) 335-344、Sep Purif Technol 363 (2025) 132257)、表面功能化（Sep Purif Technol 354 (2025) 129233、Sep Purif Technol 362 (2025) 131992、Process Saf Environ 195 (2025) 106776）等修饰的碳基阴极材料，以及金属泡沫基阴极材料（Sep Purif Technol 358 (2025) 130437、Sus Mater Technol 43 (2025) e01251）。

这些功能化修饰材料，有效促进了 UO ₂ ²⁺ 的选择性吸附性能，降低了电子传递阻力，促进了铀还原；阴极电子转移速率的增加也促进了光阳极对有机物的氧化，实现了高效协同固定铀与去除有机污染物，并同时实现了外电路发电的新应用，系统揭示了不同阴极材料吸附与还原固定 UO ₂ ²⁺ 的机理。

例如，以UiO-66衍生的ZrON-C/CF阴极的自驱动PEC体系（Appl Catal B: Environ Energy 347 (2024) 123808），在40min内能够去除近100%的铀和有机物，速率较未修饰的阴极体系分别提高了4.2和5.0倍。DFT理论计算揭示了Zr O ₂ 和N共掺杂强化了电极对 UO ₂ ²⁺ 的亲和力，促进了电子向 UO ₂ ²⁺ 转移，从而提高了体系电荷转移与铀还原能力。该体系能够在宽pH、复杂共存离子、不同有机物、模拟海水、实际废水和实际太阳光等条件良好运行，其阴极固定的铀可洗脱回收，性能经过20次重复使用后无明显衰减，体现了该体系在放射性废水处理处置方面的巨大潜力。

【实例】基于Ti O ₂ 纳米棒阵列薄膜-SSC复合光阳极与泡沫镍阴极的自驱动PEC体系性能（Separation and Purification Technology 358 (2025) 130437）

图4 体系在模拟太阳光下处理含（a-c） UO ₂ ²⁺ 和四环素（TCH）；（d） UO ₂ ²⁺ 和EDTA；（e） UO ₂ ²⁺ 和单宁酸（TA）的模拟废水的性能。

图5 （a-g）阴极固定铀产物分析；（h-j）有机物氧化活性物种分析。

图6 体系抗干扰性能。

图7 体系在模拟太阳光下处理（a）含不同有机物和铀的模拟废水和（b）污染海水的性能；（c）体系在真实太阳光下处理 UO ₂ ²⁺ 和TCH混合废水性能；（d）循环稳定性。

这项研究的意义不仅体现在技术突破上，更关系到环境保护和资源可持续利用的宏观目标。其主要意义包括：

环境保护：高效去除含铀废水中的有害成分，有助于防止核工业废水对生态环境和人类健康造成长远影响。

资源回收与利用：通过技术手段将废水中的有机物电子用于铀还原与回收，不仅降低资源浪费，同时提升含铀废水资源利用的效率。

能源双赢：利用太阳能驱动废水处理过程，实现污染治理与清洁电能产出的双重目标，为核工业和环保领域提供新的技术方向。

示范效应与应用前景：该技术的成功验证将为其他复杂工业废水的资源化处理提供参考，有望在未来推动规模化应用，从而在更大范围内实现环境与资源的协同发展。

曾庆意，博士、教授、博导，毕业于上海交通大学环境科学与工程专业（导师：周保学教授），毕业后加入广州大学胡春教授团队，现为南华大学特聘教授，可持续环境能源技术团队SEETECH负责人，韩国能源技术研究院KENTECH博士后研究员（合作教授：Wonyong Choi），湖南省“优青”和“芙蓉学者-湖湘青年英才”。主要从事功能性纳米材料制备及其在水中有机物、核素、重金属等的资源化处理与清洁能源转化等领域的研究工作，在Environ. Sci. Technol.、Water Research等国际顶级期刊发表SCI论文100余篇，其中第一/通讯论文70余篇，包括6篇高被引论文和1篇热点论文，论文他引4500余次，h因子38；授权专利21项；主持国家自然科学基金面上项目和青年基金项目、湖南省优秀青年基金项目和科技创新拔尖人才项目、广东省自然科学基金面上项目等科研项目7项；担任Chinese Chemical Letters、Sustainable Horizons、《工业水处理》、《无机盐工业》等10个国内外学术期刊编委或青年编委，国家/湖南省/广东省自科基金函评专家，中国化工学会工业水处理专业委员会专家，美国化学会等国内外6家学术团体会员和JACS\ACB\WR等40多种学术期刊特邀审稿人。