核—壳结构水滑石吸附放射性核素铀的性能研究

发布时间：2020-04-03 07:33

【摘要】：随着对化石燃料短缺和全球变暖的日益关注,核能作为没有任何温室气体排放的清洁资源已经被认为是能源体系的重要组成部分。铀作为最主要的核燃料组分,在促进核电大发展的同时也不可避免的释放进入环境中,对人类和其它物种造成严重的危害。因此,不论从能源安全方面还是环境保护方面考虑,对铀高效的去除与富集意义深远。由于具有优秀的离子交换性能、吸附性能、无毒以及良好的生物兼容性,水滑石(Layered double hydroxides,LDH)作为新型的水处理吸附剂已经成为国内外的研究热点。核-壳结构材料作为新型功能材料,其具有“内核”与“外壳”的双重协同作用,为此有望应用于环境污染物治理。本论文采用二氧化硅和四氧化三铁为核,LDH为壳进行功能复合,制备了Si O2@LDH、Fe3O4@LDH以及Fe3O4@PDA@LDH的核壳及核壳壳结构的水滑石纳米复合材料,并应用于对铀的高效富集,考察了它们在各种环境下的吸附性能及其吸附机理。具体研究方法和结论如下:(1)采用简单的共沉淀的方法制备了单分散的Si O2@LDH纳米材料。借助X-射线衍射仪(XRD)、场发射电镜扫描(FE-SEM)、傅里叶转换红外光谱分析仪(FT-IR)以及X-射线光电能谱(XPS)等对其进行系统的表征。研究了环境条件下(溶液p H、离子强度、反应时间、反应温度等)对铀的吸附行为影响。结果显示,在整个p H范围内该吸附过程明显受p H的影响,而不受离子强度的影响。动力学吸附过程符合准二级动力学模型,最大去除率可达到98%。此外,等温吸附过程表明Si O2@LDH材料对铀去除过程服从Langmuir模型,在p H=5,T=298.15K,最大吸附量达到301.1mg/g。热力学参数说明该吸附过程属于自发的吸热过程。相互机理归因于静电吸引和表面络合作用。(2)通过水热过程制备了核壳结构的磁性水滑石(Fe3O4@LDH),并应用于对放射性核素铀的富集。在不同实验条件下对铀在Fe3O4和Fe3O4@LDH上吸附行为进行系统的研究。结果表明,p H对其吸附过程影响显著,而离子强度对其基本没有影响。动力学研究表明铀在Fe3O4和Fe3O4@LDH上的吸附符合准二级动力学模型。等温吸附过程和热力学数据显示Fe3O4和Fe3O4@LDH对铀的除去更好的拟合Langmuir模型,在p H=5,T=298.15K,最大吸附量分别为34 mg/g和142 mg/g,且该过程是自发吸热的过程。浸出实验说明Fe3O4@LDH材料展现了良好的循环性能。Fe3O4@LDH与铀的相互机理是表面络合和静电相互作用。(3)利用温和的水热法及聚合沉积过程制备了一系列以Fe3O4为核,聚多巴胺(PDA)和LDH为壳的磁性纳米微球,并采用XRD、TEM、SEM、FT-IR等技术对材料进行详细的表征。探讨各种环境因素:溶液p H、离子强度、反应时间、反应温度、铀初始浓度及循环次数对铀吸附过程的影响。相比于Fe3O4、MP2和其它的MPL样品,双官能团材料MP2L2展现了最高的吸附容量和最大的去除率。铀在MP2L2上的吸附过程受p H影响明显而几乎不受离子强度影响。动力学和热力学研究分别符合准二级动力学模型和Langmuir模型,且去除率高达94.8%。重要的是,铀在MP2L2上的吸附容量可以通过改变PDA壳厚度与LDH含量而调控,在p H=5,T=295.15K,其吸附性能顺序为MP2L2(344 mg/g)MP2L3(291 mg/g)MP3L2(245 mg/g)MP2L1(211 mg/g)MP1L2(141 mg/g)MP2(71 mg/g)Fe3O4(34mg/g)。得益于PDA层的保护,吸附铀之后的材料可以采用Na2CO3溶液解吸,5次吸附解吸依然保持较高的去除性能,充分实现材料的循环再生利用。吸附机理主要为表面络合归因于MP2L2丰富的官能团数目及种类。本论文以SiO2和Fe3O4为核,LDH为壳进行功能复合,以捕获高毒性的放射性核素铀,探讨其吸附性能及机理,并取得了良好的效果,为铀废水的去除与治理提供了实验依据和理论基础。
【图文】：

吸附机理,复合材料,表面络合,最大吸附量

最大吸附量分别为 3.99 和 11.6m内球表面络合和外球表面络合。为解决其吸附属氧化物进行改性来提升其在实际环境应用PPy 复合材料，研究了 MnO2@PPy 在各种环讨其吸附机理，实验结果表明：该去除过程很和 pH=6.5，298K 时最大吸附量分别达到实验显示了铀和铕在 MnO2@PPy 复合材料上作用，，归因于其丰富的含氧官能团（Mn-OH 图 1.1 所示。OKMnO

吸附机理,纳米

图 1.2 GO 纳米片对铀吸附机理图[30]机无机杂化材料是一种介于有机聚合物与无机聚合物之间的新备了高分子材料的柔韧性、加工工艺简便等特点，也具有无机高强度的优势[33]。有机无机硫属化合物具有灵活的框架、软 Lew够对软 Lewis 酸展现出极强的亲和性。在离子交换的过程及对择性吸附时，软软相互作用扮演着主要的驱动力。近来，有机无材料具有优秀的可调控性及灵活性，因而在捕获铀方面已成为当anatzidis 课题组在去除、富集放射性核素铀方面取得了不俗的成用简单的溶剂热法制备了有机无机层状硫代锡酸盐（FJSM-SnS）选择去除与富集，该材料对铀的捕获吸附量达到 338.43mg/g。在Ca2+、HCO3-离子存在的条件下，其分配系数 Kd依然高达 428SM-SnS 对铀具有良好的选择性。对铀的痕量级去除实验中，即，铀的去除效果也接近 100%，这种高的选择性是因为 UO22+与
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O647.3

【参考文献】