用可控螯合剂修饰的纳米颗粒来分离选择的锕系元素

发布时间：2020-08-18 22:41

【摘要】：随着核工业的发展和核能技术的广泛应用,产生的核废物逐年增多。众所周知,核废物对整个人类,甚至生态环境都是有巨大危害的。目前,关于核废物的处理方法都存在一定的缺点。因此,本文将尝试用两种螯合剂功能化的Janus纳米颗粒来从高放核废液中分离出放射性元素。首先,本文采用共沉淀法制备出粒径大约在7.3 nm左右的γ-Fe_2O_3超顺磁纳米颗粒,然后,在其表面包裹了厚度约5 nm聚丙烯酸。随后,用第一种螯合剂(DTPA)功能化γ-Fe_2O_3超顺磁纳米颗粒合成出A类型的纳米颗粒(γ-Fe_2O_3-PAA_(2K)-DTPA)。每个这种纳米颗粒的表面大约含有18.9个DTPA。螯合剂(DTPA)主要通过双硫键和纳米颗粒表面连接在一起,当溶液的p H值升到9,双硫键就会断裂,从而螯合剂DTPA就会和纳米颗粒分开。A类型的纳米颗粒(γ-Fe_2O_3-PAA_(2K)-DTPA)可以吸附La~(3+)离子,升高溶液p H值,混合物DTPA-La~(3+)就会从纳米颗粒表面断裂下来。其次,通过一步反应成功地合成了一种新型的、基于DMOGA螯合剂的、可吸附锕系元素的螯合剂FHECMAA。通过这种螯合剂的呋喃官能团和用丙烯胺修饰过后的纳米颗粒表面的烯烃官能团发生狄尔斯-阿尔德反应来合成B类型的纳米颗粒(γ-Fe_2O_3-PAA_(2K)-FHECMAA)。B类型的纳米颗粒可以吸附铀元素,并且通过触发狄尔斯-阿尔德逆反应可以使混合物FHECMAA-U从纳米颗粒表面断裂下来。最后,根据合成A类型、B类型纳米颗粒的经验采用“掩盖”方法,合成出Janus纳米颗粒(γ-Fe_2O_3-PAA_(2K)-DTPA-FHECMAA),这种Janus纳米颗粒一面被螯合剂DTPA所修饰,另一面被螯合剂FHECMAA所修饰,并且这两种螯合剂都可以从纳米颗粒表面选择性地解离下来。当只想解离螯合剂DTPA的时候,螯合剂FHECMAA完全不受其解离条件的影响,反之亦然。经计算,每个Janus纳米颗粒表面含有49.8个DTPA和27.6个FHECMAA。在p H=3的条件下,螯合剂DTPA和FHECMAA对U和La的吸附能力几乎相同(大概55%/45%)。在p H=7条件下,螯合剂DTPA表现出较好的选择性。其对La~(3+)离子的吸附能力远高于其对铀的吸附能力,对La与U吸附比为82.7%/27.3%。在中性条件下,即使铀酰离子的量相对较少,螯合剂FHECMAA对铀元素仍然有很好的吸附能力(La/U=68.7%/31.3%)。这表明Janus纳米颗粒是一种可作为用来分离核废料库周围地下水中铀以及其他三价离子很好的选择对象。
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X771;TB383.1
【图文】：

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纳米颗粒,磁滞回线

图 2-2 γ-Fe2O3纳米颗粒磁滞回线。Fig.2-2 Magnetization loop of γ-Fe2O3nanoparticles.通过共沉淀法所合成纳米颗粒表面带正电荷，在 pH 为 1.8 酸性环境中通过静电排斥作用保持优良的胶体稳定性。如图 2-3 所示，主要是将三价铁离子 Fe3+与二价铁离子 Fe2+的溶液按 2:1 的比例在酸性条件下混合，随后在碱性条件下沉淀得到 Fe3O4粒子。再用 80℃的硝酸铁 Fe(NO3)3溶液氧化之，同时调节 pH 值，从而得到γ-Fe2O3颗粒。

示意图,纳米颗粒制备,表面电性,示意图

图 2-3 γ-Fe2O3纳米颗粒制备及表面电性示意图。Fig.2-3 Schematic representation of γ-Fe2O3nanoparticles synthesis and surfaces net charge但是该颗粒是多分散性的，大小分布不均。我们通过调控颗粒胶体环境的离子力，逐步屏蔽尺寸较大的颗粒之间的静电排斥力，使其发生聚合。依次类推，从而在水基中按照颗粒的大小上下分层，并通过磁铁吸附分离，多次操作后即可得到尺寸分布较均一、多分散性较小的纳米颗粒。如下图 2-4所示为γ-Fe2O3纳米颗粒分层后纳米颗粒的 TEM 结果。电镜结果显示纳米颗粒单个独立分散，无明显团聚。通过分析同一种颗粒在铜网不同位置所获取

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