羟基氧化铁（FeOOH）及其复合物的制备与铀吸附性能研究

发布时间：2020-06-14 04:56

【摘要】：随着环境污染和能源短缺问题的加剧,迫切需要开发清洁能源。核能是绿色可靠安全能源,铀是核能的重要原料,核能的快速发展,急需解决两个问题,一是铀资源短缺,铀在陆地上的储量有限,而海水中含有大量的铀资源;二是含铀废液的排放造成的环境污染,未经处理的含铀废液排放到环境中会严重破坏生态系统、损害人体健康。因此,积极开展海水提铀吸附材料的研发以及含铀废液处理技术具有重要的科学和现实意义。羟基氧化铁(FeOOH)是一类重要的铁氧化物,广泛存在于土壤、水体沉积物等环境介质中,在海水提铀和含铀废液处理方面有潜在的应用价值。本文以三种不同形貌的FeOOH为主体合成了三种高性能的提铀用吸附材料,采用静态吸附实验系统的研究了在不同实验条件下(pH、时间、温度和浓度等)所合成材料对铀的吸附性能,结合吸附动力学模型、吸附等温线模型和热力学函数探究吸附剂的吸附行为;同时考察吸附剂对铀的吸附选择性和吸附剂的脱附性、循环再生性能。采用牺牲模板法成功制备由2D FeOOH纳米片自组装形成的FeOOH空心微盒。所合成的产物为纤铁矿型γ-FeOOH,具有规则的立方体结构。吸附实验结果表明,FeOOH空心微盒的最佳吸附pH为8.0,吸附过程符合准二级动力学方程,吸附等温线符合Langmuir模型,并且具有良好的循环稳定性;其对模拟海水中的铀的去除率在90%以上。结合XPS分析,推测FeOOH以Fe-O-UO_2~(2+)和氢键的方式实现对铀的吸附和固定作用。采用共沉淀法合成3D花状FeOOH纳米材料。以FeOOH为基底,通过原位乳液聚合制备偕胺肟聚丙烯腈/FeOOH复合物(FeOOH/APAN)。FeOOH/APAN比FeOOH具有更高的吸附容量,其吸附等温线符合Langmuir模型,吸附动力学较好的符合准二级模型,对铀具有优异的吸附选择性,并且FeOOH/APAN对模拟海水中铀的去除率超过92%。通过XPS分析,推测偕胺肟基团中肟氧和肟氮参与了与铀的配位,提出η~2配位可能是FeOOH/APAN与铀结合的主要方式。采用溶剂热法制备出海胆状FeOOH空心微球。通过与聚乙烯亚胺(PEI)复合得到FeOOH/PEI吸附材料。该材料的最佳吸附pH为7.0,吸附动力学符合准二级方程,吸附等温线符合Langmuir模型,具有良好的循环稳定性和吸附选择性;在接近真实海水环境的吸附测试中,发现FeOOH/PEI对低浓度的铀具有良好的去除率。根据XPS分析,胺基基团在铀吸附过程中起到重要作用,通过静电作用/氢键和络合反应实现对铀的吸附。 【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O647.3;P746;X771

【图文】：

形貌,四方纤铁矿,纤铁矿,针铁矿

(γ-FeOOH)和六方纤铁矿(δ-FeOOH)等多种同质多相体形式存在。不同晶型的 FeOOH 在颜色、晶体结构和磁性等方面存在差异，其具体物性参数如表 1 所示。表 1.1 FeOOH 的基本物性参数种类中文名称英文名称晶体结构磁性颜色α-FeOOH 针铁矿 Goethite 正交晶系反磁性黄褐色β-FeOOH 四方纤铁矿 Akaganeite 四方晶系反磁性橙黄色γ-FeOOH 纤铁矿 Lepidocrocite 正交晶系反磁性红至红褐色δ-FeOOH 六方纤铁矿 Feroxyhyte 六方晶系铁磁性棕色α-FeOOH 为网状结构，β-FeOOH 结构类似于 α-MnO2或 BaMn8O16，而 γ-FeOOH 为锯齿型层状结构(晶体结构如图 1.1 所示)。FeOOH 形貌多样化有针状、棒状、纺锤状、片状或球状等，制备方法通常有水解法、水热法、沉淀法和亚铁氧化法等。制备过程中铁盐和沉淀剂的种类，反应条件(温度、时间、pH 等)、反应物浓度以及表面活性剂的添加和用量均会对最终产物的形貌、尺寸和晶型产生重要影响，相应的形成机理也不完全相同。

SEM图,XRD谱,晶体结构,衍射峰

于其含有更丰富的钙和其它微量元素，能够快速溶解并且具有较高的缓冲能力，能够保持溶液 pH 值的稳定。量取 50 mL 模拟海水溶液，加入到 150 mL 的锥形瓶中，之后加入 0.05 g 制备的吸附材料，25 ℃下恒温振荡 12 h，离心，用 ICP 测定上清液中铀的浓度，，利用公式 3-2 计算吸附剂对铀的去除率。3.3 结果与讨论3.3.1 亚铁氰化铁(PB)结构与形貌表征XRD 是表征材料晶体结构的重要手段，对合成的亚铁氰化铁(PB)进行 XRD 的表征考察其晶体结构，如图 3.1a 所示。XRD 结果表明，制备的产物的衍射峰与面心立方(FCC结构的亚铁氰化铁 Fe4[Fe(CN)6]3标准 XRD 卡片重合(JCPDS no. 73-0687)[57]，且衍射峰半峰宽较窄、强度较高，表明合成的亚铁氰化铁具有较高的结晶度。通过 SEM 对样品形貌进行分析，SEM 图像显示，制备的亚铁氰化铁为立方体结构，尺寸约为 1-2 μm，颗粒表面光滑。

【参考文献】