纳米材料对水体中放射性核素的去除及机理研究

发布时间：2018-06-23 21:22

  本文选题：纳米吸附剂 + 放射性核素　； 参考：《中国科学技术大学》2017年博士论文

【摘要】：随着煤炭、石油及天然气等非再生资源的开采利用,能源危机已经成为人类面对的迫切问题,因此新型能源的开发和利用已经变得越来越重要。核能源以其高效的能源转化和较低的环境排放污染而被世界各国利用。天然核科学和核能的迅猛发展,核电站发展运营也变得越来越多,但随之也产生了大量的核废料。在核能源的循环利用过程中(例如首先是铀的萃取,铀被用于核燃料,核燃料在核电站的应用,最后是乏燃料的地下处置等等)不可避免产生了多种多样较长寿命的放射性核素,尤其是一些重要的裂变产物如镧系和锕系元素,因此在含有核废料的废水排放到自然水体之前必须去除里面的放射性核素。吸附技术由于简单易操作、经济性、易于大规模应用等优势被广泛用于实际水环境污染物的去除。过去的几十年,纳米吸附剂由于具有优异的物理化学性质如较大的表面积、稳定性的化学性能和高效的吸附性,在环境污染治理领域展现出巨大的潜能。本文采用批试验、光谱分析和理论计算相结合的方法系统研究了三种常见的纳米吸附剂:碳纳米管(CNTs)、氧化石墨烯(GOs)和氧化铝(γ-Al_2O_3)对放射性核素的去除,主要研究结果如下:(1)研究了 Eu(Ⅲ)和243Am(Ⅲ)在CNTs上的吸附行为,结果发现Eu(Ⅲ)和243Am(Ⅲ)都和CNTs形成了强的内层表面络合物。但是Eu(Ⅲ)的吸附能力明显强于243Am(Ⅲ)的吸附能力,表明Eu(Ⅲ)和243Am(Ⅲ)与CNTs的作用机理和性质是不同的,这与它们在粘土矿物和氧化物上的作用结果不同。基于密度泛函理论分析发现,Eu(Ⅲ)和CNTs的结合能明显高于243Am(Ⅲ)与CNTs的结合能,表明与243Am(Ⅲ)相比,Eu(Ⅲ)和CNTs的含氧官能团形成了更强的络合物,这与Eu(Ⅲ)和CNTs的吸附量较高的实验结果相一致。含氧官能团利于Eu(Ⅲ)和243Am(Ⅲ)的去除,不同官能团的结合能力为(?)S-OH(?)S-COOH(?)S-COC-。该研究明确了 Eu(Ⅲ)和243Am(Ⅲ)与CNTs上不同含氧官能团之间的作用。为拓宽CNTs在浓缩、去除和分离三价镧系和锕系环境污染物领域的应用发挥重要作用。(2)研究了不同条件下GOs对U(Ⅵ)的去除,结果表明U(Ⅵ)的去除受pH影响而不受离子强度影响。在pH=4.5和温度20℃条件下,U(Ⅵ)在GOs上的最大吸附量为1330 mg/g,远远高于目前报道的其它材料。通过DFT理论计算验证GOs与U(Ⅵ)之间的作用机理,结果表明pH值的变化将会明显改变GOs表面含氧官能团的环境,较低pH值时GOs与U(VⅥ)之间的作用是较弱的物理吸附/外层表面络合,随着pH值的增加,较高pH值时由于表面官能团的去质子化反应使得-O-或-COO-基团带负电荷形成强的化学吸附/内层表面络合。(3)为了理解Eu(Ⅲ)在氧化物-有机物系统的吸附性质,通过批试验和时间分辨荧光光谱(TRLFS)研究了腐殖酸(HA)对Eu(Ⅲ)在γ-Al_2O_3上吸附行为的影响。研究了不同实验条件下pH值和Eu(Ⅲ)/HA/Al_2O_3的添加次序对Eu(Ⅲ)去除效果的影响,实验结果表明Eu(Ⅲ)的去除强烈依赖于pH和离子强度。较低pH值时Eu(Ⅲ)的吸附机理主要是离子交换和外层表面络合,较高pH值时的去除机理是内层表面络合。较低pH值时HA的存在促进Eu(Ⅲ)吸附,而高pH值时降低了 Eu(Ⅲ)吸附。Eu(Ⅲ)/HA添加到Al_2O_3的次序对Eu(Ⅲ)的去除没有影响,该结果通过TRLFS测定验证。通过发射光谱(5D0 → 7F1(λ = 594 nm)与5D0 → 7F2(λ = 619 nm)的发射强度比)和荧光寿命来验证表面络合物,TRLFS结果清晰证明吸附平衡后添加次序对Eu(Ⅲ)在HA-Al_2O_3上的吸附物种没有影响。腐殖酸物质对Eu(Ⅲ)络合性质的影响发现表明弄清腐殖酸物种的环境行为对于理解Eu(Ⅲ)及其它三价镧系和锕系离子在自然界中的物理化学性质是必要的。(4)研究了 243Am(Ⅲ)在HA-Al_2O_3上吸附,并使用螯合树脂进行了动力学解吸性能研究。243Am(Ⅲ)在HA-Al_2O_3上的动力学解吸实验是在三个不同的pH值(4.0、5.0和6.0)通过添加螯合树脂分别反应2小时、4天和1个月来将243Am(Ⅲ)从HA-Al_2O_3上解吸下来。243Am(Ⅲ)在HA-Al_2O_3上的不可逆结合位点组分随着pH值的增加而增大。动力学解吸结果表明243Am(Ⅲ)-HA-Al_2O_3中243Am(Ⅲ)存在两种不同的物种("快"和"慢"溶解动力学分别代表可逆位点上的"弱"和"强"结合物种)。较低HA浓度时,243Am(Ⅲ)由最开始的"快速"溶解物种随着时间的增加变为"慢速"溶解物种;而HA浓度较高时,243Am(Ⅲ)从HA-Al_2O_3上的"快速"和"慢速"解离不受时间的影响。这些结果描述了三价镧系和锕系元素在自然界中的物理化学行为,对理解放射性核素的潜在污染非常重要。总之,纳米吸附材料能够高效去除放射性核素。放射性核素的去除受周围环境(如pH值、接触时间、温度和HA等)的影响较大。本文从分子水平上揭示了不同环境条件下放射性核素与纳米吸附材料的作用机理,为放射性核素在自然界中的迁移转换规律提供理论依据。
[Abstract]:In the past decades , the adsorption of Eu ( 鈪，

本文编号：2058479