铀多元配位磁性生物吸附剂的制备及对铀的吸附行为研究
发布时间：2020-11-18 16:20
核能一直是全球能源领域关注的热点。随着核能的发展利用,如采矿、核反应堆和核武器制造等,各种放射性核素被释放到环境中。铀是放射性废水中的主要污染物,同时具备化学毒性和放射毒性,对人类健康与生态环境具有较大危害。因此,研究高效提取放射性废水中铀的材料与方法对于铀的回收利用与生态环境的保护具有重要意义。磁性纳米颗粒经过表面功能化修饰,可以得到选择性更好、吸附效率更高的复合吸附剂。同时,也会使吸附剂具备易于磁液分离的特点。因此,磁性纳米吸附剂对放射性废水中铀的提取有着较好的应用前景。杯芳烃是继冠醚和环糊精后出现的新一代超分子配体,是由若干个苯酚单元通过亚甲基(或杂原子,如氧、硫、氮等)在酚羟基邻位连接而成的环状低聚物,具有大小可调节的空腔、对金属离子的选择性高等优势,能通过多个配位原子与许多金属离子形成主-客体络合物。黑曲霉是一种高效、经济的生物吸附剂,具有安全无毒、成本低廉、来源稳定、处理废水量大、吸附后易解析等特点,并且表面含有丰富官能团,如羟基、羧基、氨基等。本文以杯芳烃、黑曲霉为功能材料,探索新型功能化磁性生物吸附剂的制备方法,并研究了该功能化磁性生物吸附剂对放射性铀废液的吸附性能。通过实验研究,主要获得以下研究成果:(1)通过共沉淀法合成了4-磺酰杯[6]芳烃修饰的Fe3O4磁性纳米粒子(MFS)。其结构经红外(IR),扫描电镜(SEM),振动样品磁强计(VSM),热综合分析仪(TGA)等进行了表征,实验结果表明MFS呈粒径为10~40 nm的圆球状,饱和磁化强度为64.99emu/g,具有超顺磁性和良好的热稳定性。探索了溶液p H,吸附剂用量,吸附时间,铀(Ⅵ)初始浓度和温度等条件下MFS对铀(Ⅵ)溶液的吸附行为,确定了MFS对铀(Ⅵ)溶液的最佳吸附条件:p H为6,铀(Ⅵ)初始浓度为2.5 mg/L,吸附时间为60 min,吸附剂用量为15 mg/100 m L,温度为50℃。MFS对铀(Ⅵ)的最大吸附率为94.39%,与Fe3O4的最大吸附率(65.22%)对比,MFS的吸附性能得到显著提升。干扰实验表明,磁性纳米Fe3O4表面修饰的杯芳烃功能分子,其多元配位和空腔识别双重效应,使MFS对铀酰离子具有较好的选择性吸附能力。在Na+、Mg2+、Ca2+等金属离子存在条件下,MFS对铀(Ⅵ)的吸附率最大仍能达到93.62%。MFS对铀(Ⅵ)的吸附行为符合二级动力学模型,说明MFS对铀(Ⅵ)是化学吸附过程;其吸附行为符合Langmuir等温吸附模型,说明MFS吸附铀(Ⅵ)是单层吸附。通过分析MFS对铀(Ⅵ)吸附行为的吉布斯自由能变化,可以得知MFS吸附铀(Ⅵ)是自发的吸热反应。(2)在MFS的基础上,结合生物材料黑曲霉,制备了新型多元配位磁性生物吸附剂(MFSC),意在通过磁性纳米粒子、功能识别分子与生物吸附剂的结合,改善生物吸附剂的机械性能及对铀酰离子的识别性能。制得的MFSC经红外(IR),扫描电镜(SEM),振动样品磁强计(VSM),热综合分析仪(TGA)等进行结构表征,表明MFSC呈褶皱层状,饱和磁化强度为5.74 emu/g,具有超顺磁性和良好的热稳定性。探索了溶液p H,吸附剂用量,吸附时间,铀(Ⅵ)初始浓度和温度等条件下MFS对铀(Ⅵ)溶液的吸附行为,确定了MFSC对铀(Ⅵ)溶液的最佳吸附条件。在p H为6,铀(Ⅵ)初始浓度为3 mg/L,吸附时间为8 h,吸附剂用量为20 mg/100 m L及30℃时,其对铀(Ⅵ)的最大吸附率为91.18%。干扰实验表明,MFSC相对MFS比较,抗干扰能力有所下降,说明MFS附载于黑曲霉表面,使杯芳烃分子的识别能力有所降低,但MFSC仍具有一定的选择性吸附性能。在K+、Na+、Cu2+等金属离子存在时,吸附率最大可达到72.41%。吸附-解吸实验表明,经过对MFSC重复3次的吸附-解吸后,吸附率仍能达到80%以上,说明在黑曲霉表面附载MFS,克服了生物吸附剂在吸附-解吸过程中易于流失的缺点,使黑曲霉获得了良好的机械性能,吸附后易于固液分离,故MFSC吸附铀(Ⅵ)时,可以循环利用。MFSC对铀(Ⅵ)的吸附行为符合二级动力学模型,表明MFSC对铀(Ⅵ)是化学吸附过程;其对铀(Ⅵ)的吸附行为符合Langmuir等温吸附模型,即MFSC吸附铀(Ⅵ)是单层吸附。通过分析MFSC对铀(Ⅵ)吸附行为的吉布斯自由能变化,可以得知MFSC吸附铀(Ⅵ)是自发的吸热过程。
【学位单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X771;O647.3
【部分图文】：
第一章 绪 论简介锕系元素，1789 年被马丁海因里希克拉普罗特（Martin 发现，其元素符号是 U，原子序数为 92。铀在自然界中存在三分别是234U、235U 和238U（图 1.1），其丰度分别为 0.01%、均拥有长达数亿年，甚至数十亿年的半衰期。虽然自然界中23它是天然铀 α 辐射的主要来源，其放射性比活度远高于235U 业中应用最广泛的铀同位素为235U，其衰变产物主要为 α 粒子
图 1.2 地球铀储量分布图Fig.1.2 Earth uranium reserves map铀是具有放射毒性和化学毒性的天然放射性元素[8,9]，其化学显著。一般来说，铀的化学毒性主要由其重金属毒性体现，可死和肾小管管壁萎缩，致使肾过滤血液杂质的性能下降，从而的放射毒性主要由辐射造成。辐射影响人体的途径又可分为内中铀的放射毒性主要以内照射为主。放射性核素的内照射损强于致癌性重金属铅和镍，内照射危害主要来自铀放出的 α 射损器官，严重时能导致肺癌。因此，若饮用水中出现铀含量超种危害，如肾损害，多器官靶向癌症，脑和神经疾病等。值得产活动，如核工业、尾矿、燃煤和磷肥的使用等都是造成环境工业发展与核能开发规模越来越大，对铀的需求量也越来越大
图 2.1 MFS 合成过程示意图Fig. 2.1 Schematic diagram of MFS synthesis2.2.3 吸附剂的表征2.2.3.1 扫描电子显微镜利用 SEM 表征吸附剂形貌特征。2.2.3.2 傅里叶红外光谱利用 FT-IR 分析吸附剂所含官能团特征。2.2.3.3 热性能利用 TGA 分析吸附剂热稳定性。2.2.3.4 磁性能利用 VSM 表征吸附剂磁性能。2.2.3.5 X 射线衍射（XRD）
【参考文献】
本文编号：2888917
【学位单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X771;O647.3
【部分图文】：
第一章 绪 论简介锕系元素，1789 年被马丁海因里希克拉普罗特（Martin 发现，其元素符号是 U，原子序数为 92。铀在自然界中存在三分别是234U、235U 和238U（图 1.1），其丰度分别为 0.01%、均拥有长达数亿年，甚至数十亿年的半衰期。虽然自然界中23它是天然铀 α 辐射的主要来源，其放射性比活度远高于235U 业中应用最广泛的铀同位素为235U，其衰变产物主要为 α 粒子
图 1.2 地球铀储量分布图Fig.1.2 Earth uranium reserves map铀是具有放射毒性和化学毒性的天然放射性元素[8,9]，其化学显著。一般来说，铀的化学毒性主要由其重金属毒性体现，可死和肾小管管壁萎缩，致使肾过滤血液杂质的性能下降，从而的放射毒性主要由辐射造成。辐射影响人体的途径又可分为内中铀的放射毒性主要以内照射为主。放射性核素的内照射损强于致癌性重金属铅和镍，内照射危害主要来自铀放出的 α 射损器官，严重时能导致肺癌。因此，若饮用水中出现铀含量超种危害，如肾损害，多器官靶向癌症，脑和神经疾病等。值得产活动，如核工业、尾矿、燃煤和磷肥的使用等都是造成环境工业发展与核能开发规模越来越大，对铀的需求量也越来越大
图 2.1 MFS 合成过程示意图Fig. 2.1 Schematic diagram of MFS synthesis2.2.3 吸附剂的表征2.2.3.1 扫描电子显微镜利用 SEM 表征吸附剂形貌特征。2.2.3.2 傅里叶红外光谱利用 FT-IR 分析吸附剂所含官能团特征。2.2.3.3 热性能利用 TGA 分析吸附剂热稳定性。2.2.3.4 磁性能利用 VSM 表征吸附剂磁性能。2.2.3.5 X 射线衍射（XRD）
【参考文献】
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1 王以轩;刘育;;磺化杯芳烃的超分子组装体构筑及其功能[J];化学学报;2015年10期
2 薛敏;胡树振;陈传峰;;三蝶烯衍生的双氮杂双氧杂杯芳烃的合成与结构[J];化学学报;2012年16期
3 宋佰谦;从铀放射性发现到同位素的发现(1896—1913)——为纪念α射线和β射线发现100周年而作[J];自然杂志;1998年03期
本文编号：2888917
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