普鲁士蓝类复合材料辐照制备及其对铯离子吸附性能研究

发布时间：2020-10-31 11:42

　　 核电产业的快速发展和核技术的广泛应用产生了重要的经济效益和社会效益。核能和核技术在利用过程中会产生各种放射性废液,对生态环境和人类健康带来了潜在威胁。安全高效地处理放射性废水是核工业实现健康可持续发展的前提,具有迫切需求和重要意义。本论文从实际需求出发,围绕普鲁士蓝类复合吸附材料及其辐射制备技术开展研究工作,设计制备复合材料并对其微观形貌及结构进行详细测试表征,重点考察复合材料对铯离子的吸附性能和规律,探索其合成和吸附机理,为新型放射性离子吸附材料的设计开发和实际应用提供基础。本论文的主要研究内容和结果如下:(1)采用原位辐射化学法在海绵多孔骨架上成功制备了具有均匀粒径分布和良好分散性的普鲁士蓝纳米粒子。所制备的PB@PUS复合材料在较宽的pH范围内对铯离子具有良好的选择吸附性能,其最大吸附量和去除率分别达到了68.6 mg g~(-1)和99%。复合材料对铯离子的吸附过程可以用Langmuir等温吸附模型和拟二级吸附动力学模型来描述。动态吸附实验表明,固定床柱的穿透时间和耗尽时间与PB@PUS中PB的含量、溶液流速及铯离子的初始浓度密切相关。穿透曲线可采用Thomas和Yoon-Nelson模型进行较好地拟合。(2)采用γ射线辐照辅助单源法合成不同形貌的普鲁士蓝,并对其微观形貌、结构组成和吸附性能进行了测试分析。研究结果表明,前驱体K_4[Fe(CN)_6]·3H_2O浓度和溶液pH值是影响产物形貌的重要因素。通过优化合成条件,获得了具有良好形貌和分布的普鲁士蓝粒子。所制备的普鲁士蓝纳米粒子对铯离子具有良好的吸附性能,其吸附过程符合Langmuir等温吸附模型,最大饱和吸附量达到166.8 mg g~(-1)。(3)采用γ射线辐照技术在三维多孔碳毡基体材料上合成普鲁士蓝,制备了电活性普鲁士蓝/碳毡复合电极材料,对其微观形貌结构、电化学性能和电控吸附性能进行了测试分析。结果表明,经过硫酸辐照处理过的碳毡更有利于PB纳米颗粒的沉积及薄膜的形成。与D-PB/CF相比,S-PB/CF具有更好的可逆性、良好的稳定性和循环使用寿命。S-PB/CF膜电极在两电极体系下具有优异的ESIX性能。外加还原电压可显著提升膜电极对Cs~+的吸附效率,电压10V、初始浓度为200 mg L~(-1)的条件下,膜电极对Cs~+去除率高达90%。S-PB/CF的吸附过程可用Langmuir模型和拟二级吸附动力学模型来描述,最大饱和吸附量为987.5 mg g~(-1),可在1.5 h内达到吸附平衡。该膜电极的反向氧化电压脱附率接近90%,具有良好的再生性能。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X771;O647.3
【部分图文】：

杯芳烃的识别能力很好，对特定放射性离子的吸附能力功效。其中杯[4]芳烃冠醚被研究证明对 Cs+具有良好的吸附能力杂交法制备了一种对 Cs+有较好吸附能力和选择性的新型杯[4]冠Si），在最佳吸附条件下对 Cs+的吸附容量为 0.1233 mmol g-1。材料处理放射性废水有诸多优点，如生物类品种丰富、价廉易得快速且量大、pH 值和温度范围宽等。某些藻类、真菌以及一些等）都对放射性金属离子有很好的吸附能力。子交换技术（ESIX）子交换技术交换技术（Electrochemically Switched Ion Exchange，ESIX）最先验室（PNNL）提出的用于金属离子分离的一种新型技术[24]。在这原附着在电极表面的电活性膜来实现碱金属离子的吸附和嵌脱，的关键在于寻找合适的电活性离子交换材料，并通过一定的技术积的导电材料上，从而制备出可实现电化学控制的离子交换膜电

图 1.2 可溶性和不溶性普鲁士蓝结构示意图 ESIX 膜的制备方法活性材料通常采用化学沉积法和电化学方法制备。其中，化学法包括毛法及辐照化学法等；电化学法主要有阳极氧化法、阴极电沉积法和脉冲化法最早由 BOCARSLY 等[42]提出，该方法主要原理是将过渡金属基体铁氰根和支持电解质的混合溶液中，然后在工作电极上通上一定的氧化金属基体被氧化，在其表面形成相应的金属离子，电解液中游离的铁氰形成对应的铁氰化物薄膜层覆盖在过渡金属表面。该方法的缺点在于所物薄膜的容量低，难以在实际工业化中得到推广应用。因为工作电极被铁氰化物已经覆盖在其表面，从而导致电解液中游离的铁氰根被金属表，难以和后续生成的金属阳离子接触，因此无法继续反应生成铁氰化物积法（包括恒电位沉积法和循环伏安法），一种制备过渡金属铁氰化物这种方法的主要机理是配置由支持电解质、过渡金属离子和铁氰根组成极是惰性导电材料，在三电极体系中给电极通上一定电压范围的循环伏

述相同（Cs+浓度：1000 mg L-1；吸附剂用量：8 mg mL-1；接触时间：3h；温度：25℃；pH：7）。根据方程（2-1）、（2-2）计算 Cs+的去除率 R（%）和吸附量 Qe（mg g-1）：100%i CCCRie（）（2-1）mCCVQie（ ） e（2-2）式中，Ci（mg L-1）和 Ce（mg L-1）分别表示初始和平衡时溶液中 Cs+浓度，V（mL）为溶液体积，m（mg）为吸附剂的质量。2.2.5 材料对 Cs+的动态吸附实验固定床柱反应器采用内径 2.6 cm，床层高度 10 cm 的玻璃管设计而成。将不同制备样品（PB@PUS-1、2、3）填充到柱内，使吸附剂的床层高度保持 10 cm 恒定高度。将 pH=7 的铯溶液（10、20、30 mg L-1）通过蠕动泵（Kamoer KCP3-X）以指定的流速（3、4、5 mL min-1）通过上流式柱反应器，从吸附柱顶端定时收集流出液，并用原子吸收分光光度计（TGAAAS-990）进行测试分析。如图 2.1 所示。
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本文编号：2863901