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核能的大力发展与利用在给人类带来巨大经济效益的同时,伴随产生的大量放射性废物也威胁到人类的生存。为了实现核能可持续发展,必须保证核燃料循环过程中产生的放射性废物得到合理处置。对于高放废液的处理而言,目前主要是将高放废液深埋地下深处的地址处置库中,然而经历长期的地质条件变化,用于包裹高放废液的包壳材料可能发生腐蚀破裂,致使放射性核素泄漏至自然环境介质。通常这些放射性废液含有长寿命和高放射性毒性的三价次锕系核素(241Am,244Cm),一旦发生放射性核素泄漏意外,这些具有高迁移性的三价次锕系核素很容易进入地下水,随着地下水的流动而迁移至自然环境,从而对生物圈造成严重的污染。核素在生物圈中的迁移转化过程与自然界中天然存在的各种矿物紧密相关,深入了解放射性核素在矿物与水界面上的吸附行为、解吸过程以及主导作用机制,一方面,对预测放射性核素在自然界中的最终命运提供实验基础；另一方面,根据核素在自然界中的赋存形态,寻找既廉价又高效的治污材料用于阻滞这些次锕系核素的迁移,用于治理地下水中次锕系元素的污染。探究核素在材料上的去除效果以及和材料相互作用的微观机理,不仅有利于理解放射性核素在环境体系中的迁移转化规律和其对生物圈造成的生物毒性,而且为合成新型有效的去污材料也能提供设计合成灵感。大量研究表明利用含磷/膦材料去除环境中重金属污染物是有效的方法之一,并且展现出广阔的应用前景。但是目前含磷/膦材料对三价次锕系核素的去除工作研究尚不够充足,以及材料对核素的吸附机理没有清晰的解释。利用三价镧系元素Eu(Ⅲ)与三价次锕系元素Am(Ⅲ)和Cm(Ⅲ)有极其相似的物理化学性质这一特点,本论文选择三价镧系元素Eu(Ⅲ)作为三价次锕系元素241Am(Ⅲ)和244Cm(Ⅲ)的化学替代物,将常规静态批实验、常规光谱表征、Visual MINTEQ热力学拟合和X射线吸收谱学(X-ray absorption spectroscopy,XAS)分析结合起来,深入探讨水体环境下Eu(Ⅲ)在不同含磷/膦材料上的宏观吸附行为和内在作用机制。取得了如下的研究结果:(1)三价次锕系核素泄漏至地下水,随着水体流动而迁移至自然界中,与自然岩体相互作用。在富含磷元素环境下的六价锕系核素U(Ⅵ)主要以钙铀云母的形式大量存在于自然界中。利用三价次锕系核素Am(Ⅲ)和Cm(Ⅲ)的化学模拟物Eu(Ⅲ),首次探究了 Eu(Ⅲ)在二维层状的无机磷酸盐钙铀云母上的吸附行为及其内在的相互作用机制。研究关注共存的三价/六价锕系核素吸附于含磷固相上,探究磷酸根与不同价态锕系元素结合能力的强弱分配。在一定实验条件下,吸附于固相上的Eu(Ⅲ)以二次矿磷酸铕(EuPO4)形式沉淀下来。Eu(Ⅲ)从钙铀云母上“夺走”部分的磷酸根后,原本与磷酸根配位成键的U(Ⅵ)的配位环境相应发生改变,研究利用光谱技术追踪吸附Eu(Ⅱ)后的钙铀云母上U(Ⅵ)的化学环境变化,同时探究吸附上的Eu(Ⅲ)与改变化学环境的U(Ⅵ)的相互关系。这个研究结果在一定程度上揭示了 Eu(Ⅲ)在钙铀云母上对磷酸根的竞争能力,为进一步研究三价锕系核素与六价锕系核素在含磷材料上与磷酸根的结合能力提供重要的参考作用。(2)体系从二维磷酸盐矿物对Eu(Ⅲ)的吸附滞留机理研究,扩展至三维无机磷酸盐材料羟基磷灰石对地下水中的Eu(Ⅲ)去除效果及其微观作用机理的研究。磷灰石材料作为自然界中最广泛存在的天然磷矿,已经成功运用于治理地下水中重金属的污染。然而,研究磷灰石与三价次锕系元素/Eu(Ⅲ)的工作仍十分不充足,且现有的少量相关工作都未能深入解释磷灰石与三价次锕系核素/Eu(Ⅲ)的内在作用机理,根据现有的工作结论无法证明磷灰石用于去除溶液中三价次钢系核素污染的可行性。本工作除了运用常规的批实验数据揭示了 Eu(Ⅲ)在一定条件下能大量形成磷酸铕(EuPO4·H2O)沉淀,以极稳定的物态从水溶液中去除。另一方面,论文深入探究Eu(Ⅲ)与磷灰石的作用规律,根据不同条件下的不同主导机理,类比总结了羟基磷灰石与多种重金属元素/放射性核素的潜在作用机理,评估了磷灰石用于去除地下水中三价次锕系核素的潜在应用。(3)基于磷酸官能团对三价次锕系核素/Eu(Ⅲ)的高亲和性,本论文通过利用磷酸官能团试剂(植酸)对廉价的无机材料钛纳米管进行功能化修饰,并研究了植酸/钛纳米管材料对Eu(Ⅲ)的去除性能以及内在的作用机理。对钛纳米管进行磷酸官能团化不仅丰富了典型含磷材料的种类,而且与原始钛纳米管材料相对比,磷酸化的钛纳米管对Eu(Ⅲ)具有更高的选择性,并且通过光谱技术揭示了 Eu(Ⅲ)在材料上的主导作用机理是内层络合。(4)基于无机磷酸材料对Eu(Ⅲ)吸附滞留的有效性,将研究拓展至有机膦酸材料对Eu(Ⅲ)的治理应用。根据软硬配位原理,层间的软配体有机氨更倾向于与软离子发生作用,而不易与硬离子(Eu3+、Am3+和Cm3+)配位,因此通过利用Ca2+预处理有机膦酸锆SZ-4,降低了晶体层间有机氨的含量。此外,预交换进入材料层间的Ca2+的水合离子半径与Eu3+的水合离子半径很相近,在水合离子半径也匹配的情况下,使得Eu3+能直接在Ca@SZ-4上发生离子交换作用,与原始SZ-4对比,Ca@SZ-4对Eu(Ⅲ)具有更好的吸附性能。本论文从分子水平上揭示不同水环境条件下三价次锕系核素/Eu(Ⅲ)在典型含磷/膦材料上的不同吸附行为和微观作用机理,深刻揭示了三价次锕系核素/Eu(Ⅲ)在固-液界面上的行为规律。上述研究成果不仅能准确揭示Eu(Ⅲ)/三价次锕系核素在水环境中的物理化学行为,同时也为设计合成新的用于治理地下水三价放射性污染材料提供重要的指导意义。