功能化丝瓜络海水提铀材料的制备及其吸附性能研究

发布时间：2020-06-24 18:04

【摘要】：随着我国经济和社会的高速发展,居民生活和工业发展对于能源的需求日益增大。长期并过度依赖的煤炭和电力资源,已经对我国的生态环境造成了巨大的影响。因此迫切需要一种清洁能源解决当的问题。核能是一种由核反应堆中可裂变材料(核燃料)释放的裂变能,只需消耗很少的核燃料,就可以产生巨大的能量。但我国是个铀矿储量相对缺乏的国家,探明储量居世界第10位之后,难以满足核电发展的长远需求。海水中含有超过40亿吨铀资源,相当于陆地总储量的几千倍。将视野转向海洋,积极开发海水提铀技术,可以为我国铀资源储备提供保障,对于维持我国核工业竞争力具有重要的意义。本论文选择具有易修饰、质量轻、孔隙结构发达等特点的丝瓜络纤维作为基体材料,通过酯化、醚化和化学引发三种改性方法,将丰富的羧基和氨基接枝到丝瓜络表面,制备了四种高吸附性能的海水提铀材料。利用SEM、FT-IR、EA、Zeta等表征手段对吸附材料的理化性质进行分析;通过静态吸附实验,系统的研究了溶液pH、初始浓度、反应时间对于吸附性能的影响并利用吸附等温模型和动力学模型,对吸附过程进行分析;最后,通过循环性能实验和模拟海水吸附实验,进一步考察四种吸附材料的应用性。基于乙二胺四乙酸对铀酰极强的螯合作用,将乙二胺四乙酸接枝到丝瓜络纤维基体上制备了一种高吸附量的海水提铀吸附材料。由于乙二胺四乙酸的空间位阻较大,一步酯化改性的接枝率仅为15.0%,利用环氧氯丙烷和乙二胺作为“桥梁”将乙二胺四乙酸的接枝率提高至21.4%,最大吸附量也由228.3 mg/g提高至416.7 mg/g。此外,多步接枝法还提高了吸附速率,吸附平衡时间由60 min缩减为40 min。模拟海水环境下,LC-EDTA_2对浓度为3~100μg/L的铀酰离子的吸附率均超过85%,表现出优异的吸附性能。由于聚乙烯亚胺对铀酰离子具有优异的选择性,以环氧氯丙烷作为“锚点”,将聚乙烯亚胺接枝到丝瓜络纤维骨架上,制备了一种具有高选择性的铀吸附材料。研究结果表明,聚乙烯亚胺的接枝率越大,纤维的吸附量越大,LC-EPI-PEI_(20)、LC-EPI-PEI_(30)与LC-EPI-PEI_(60)的Langmuir最大吸附量分别为149.2 mg/g、170.0 mg/g和208.3 mg/g。LC-EPI-PEI_(60)对铀酰离子的选择性极好,共存离子影响实验中吸附量仅下降10%。LC-EPI-PEI_(60)在HNO_3中具有良好的脱附效果,脱附率高达97.88%,并且5次吸-脱附循环后,吸附性能几乎没有变化。以丝瓜络为骨架,硝酸铈铵为引发剂,通过聚合反应将聚丙烯酸水凝胶接枝到丝瓜络表面,制备了一种具有高吸附性能的铀吸附材料。聚丙烯酸水凝胶与丝瓜络结合,既可以利用聚丙烯酸水凝胶中丰富的羧基基团,增强丝瓜络的吸附性能,使其成为优异的海水提铀吸附材料,将含有乙烯基单体的引入到丝瓜络中纤维的过程,又为丝瓜络基功能材料的制备提供一种新的思路。单因素影响实验表明,丝瓜络质量为1.0 g,硝酸铈铵加入量为5%,丙烯酸单体加入量为5 mL,反应温度为40℃的条件下,聚丙烯酸的接枝反应温和,产生均聚物较少。LC-PAA_2的Langmuir最大吸附量为305.8 mg/g,吸附平衡时间约为360 min。基于聚乙烯亚胺对铀酰离子较强选择性的氨基基团及聚丙烯酸中既能作为吸附基团,又能作为结合位点的羧基基团,本论文先在丝瓜络表面接枝一层聚丙烯酸水凝胶膜,再以聚丙烯酸改性丝瓜络为基体,利用缩合反应将聚乙烯亚胺接枝到丝瓜络表面,制备一种对铀酰离子具有高吸附量,高选择性的吸附材料。该材料不仅保留了聚乙烯亚胺对铀酰离子较强的选择性,吸附量也远大于单一聚乙烯亚胺和聚丙烯酸功能化的丝瓜络材料。该材料的最大吸附量为444.4 mg/g,选择系数为16944.4 mL/g。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL21
【图文】：

流程图,肟基,功能化,流程图

哈尔滨工程大学博士学位论文活性炭吸附量的三倍。Han 等[41]通过水热法合成了一种具有石墨层状结构的碳材料。通过在葡萄糖碳化过程中加入丙烯酸，使其片层表面带有大量羧基，来提高对铀酰离子的吸附量和选择性研究结果表明，这种多羧基的层状碳材料对铀酰离子的吸附量为 197.7 mg/g，是未改性葡萄糖衍生碳微球的 9 倍。该材料在真实海水中对铀酰离子的吸附率为 87.1%。CMK 系列是一类有序纳米多孔碳。Hirose 等[42]利用羧甲基化聚乙烯亚胺对 CMK-进行功能化。该吸附材料在 pH=3、4 时表现出了良好的吸附性能，最大吸附量分别为119 mg/g 和 222 mg/g。该课题组还进一步通过对 CMK-3 氧化，使其表面带有羧基基团[43]，提高其在较高 pH 条件下的吸附量。氧化后的 CMK-3 在 pH=7.5 时，最大吸附量提高至 160 mg/g。Grant 等[44]利用 4-苯乙酮肟通过热诱导的方法对 CMK-5 进行功能化，得到肟基改性介孔碳材料。该吸附材料受 pH 影响较大，pH=4.5 时，吸效果最佳，最大吸附量为 65 mg/g。

模板合成,水滑石

图 1.2 通过牺牲 ZIF-67 模板合成镁钴水滑石[55]Figure 1.2 Synthesis of magnesium cobalt hydrotalcite by sacrificial ZIF-67 template[5价有机框架材料有机骨架材料（COFs）是一类最近开发的与金属-有机框架材料相关常通过动态共价化学方法来进行构建[56-58]。这类多孔有机材料主要由共价键连接在一起，形成具有周期性结构的多孔骨架。因为 COFs 只C，H，B，N，O 等），所以具有极大的比表面积和极低的密度，并达。由于骨架之间有很强的共价作用力，COFs 能够在比较恶劣的条、高温等）下，展现出比金属-有机框架更为稳定的特性。此外，这使得 COFs 在改性后能够保持原有的多孔结构。等[59]首先利用 COFs 进行铀吸附实验。该团队通过将均苯三甲酰氯和 2:3 混合并利用微波辐射处理，制备了一种超微孔碳质结构的 COFs 材该材料的比表面积为507 m2/g，平均粒径为 0.4 nm。将该材料进行铀吸

【相似文献】