功能性材料对铀的吸附行为及机制研究

发布时间：2020-09-22 20:12

　　随着全球能源结构的改变,多个国家正在推进核电事业的发展。通过核能发电,可以令全球变暖问题得到缓解,并保持能源可持续性供应。对多种类型反应堆而言,铀是重要的核燃料组成元素,核电的发展意味着对有限铀资源的大量需求。另一方面,由于核活动的增多,由其所涉及到的各个环节中产生的含铀核废液量也随之增大。因为铀有着放射性、化学毒性和生物毒性,并且半衰期较长。含铀核废液若未经处理变向环境中排放会对生态圈造成严重污染。然而,如果能对这种含铀核废液进行恰当的处置,则可以达到保护环境和提高铀资源利用率的双重效果。综上所述,找到合理高效的方法,对含铀核废液中的铀进行吸附成为近年来的一个研究热点。对于吸附法来说,吸附剂的制备是其核心技术所在。目前研究者们倾向于制备具有大比表面积和特定官能团的吸附剂,大比表面积意味着更多的吸附位点,而特定官能团则通常对铀有着较高的亲和力和选择性,因此可以实现对铀的高效吸附。本论文主要研究了三种功能化材料对含铀溶液中铀的吸附行为、吸附机制和脱附方法,研究内容和结论分别如下:(1)采用偕胺肟化超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPEF-AO)作为吸附剂对铀进行吸附,考察了pH值、时间、铀初始浓度、温度对吸附过程的影响,实验结果表明吸附过程与pH值高度相关,为自发的吸热反应,并且符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,吸附机制为单层化学吸附,Langmuir等温吸附模型计算得到的最大吸附量为176.99 mg/g。吸附的铀最终可以通过烧结处理以铀氧化物混合物的形式被回收;(2)首先制备了碳泡沫,之后对其进行强酸氧化处理,得到了氧化碳泡沫(oxidized CF)并将其作为吸附剂对铀进行吸附,考察了pH值、时间、铀初始浓度、温度对吸附过程的影响,实验结果表明氧化处理显著提高了oxidized CF对铀的吸附能力,吸附过程与pH值高度相关,为自发的吸热反应,符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,吸附机制为单层化学吸附,Langmuir等温吸附模型计算得到的最大吸附量为305.77 mg/g。吸附的铀最终可以通过烧结处理以U_3O_8或Na_2U_2O_7的形式被回收。吸附过程表达式为:2RCOOH+UO_2~(2+)→2(RCOO)UO_2+2H~+;(3)制备共价有机聚合物(COP)并将其作为吸附剂对铀进行吸附,考察了pH值、时间、铀初始浓度、温度、共存金属离子对吸附过程的影响,实验结果表明吸附过程与pH值高度相关,为吸热反应,符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,吸附机制为单层化学吸附,Langmuir等温吸附模型计算得到的最大吸附量为145.56 mg/g。应用于多离子混合溶液条件时,COP对铀离子具有明显的选择性。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TL941.1
【部分图文】：

铀溶液,吸附铀,吸附剂,质量

图2.1 pH值对UHMWPEF-AO吸附铀的影响（铀初始浓度为100 mg/L，吸附剂质量为5 mg，铀溶液体积为 5 mL，温度为 298 K，时间为 24 h）Fig. 2.1 Effects of pH on adsorption of U(VI) onto UHMWPEF-AO(C0 = 100 mg/L, m = 5mg, V = 5 mL, T = 298 K, t=24 h)

铀溶液,吸附铀,吸附剂,初始浓度

处理时间就越短，效率因此更高。所以对于吸附剂性能的评估，吸附速率也是一个重要的考察指标。为了探究吸附过程的动力学特征，以时间为变量进行了吸附实验。图2.3描述了UHMWPEF-AO对铀的吸附量随时间的变化情况，可以看出，在初始阶段（吸附开始的前 180 min），吸附速率快速增长；随着时间的增加，吸附速率逐渐降低。随着反应的进行，溶液中剩余铀浓度降低，UHMWPEF-AO表面吸附位点逐渐被占据导致可用位点减少，以上两点是导致吸附速率下降的主要原因。12 h 后吸附量基本保持不变，说明吸附达到平衡。在后续实验中，为确保吸附达到平衡，将反应时间定为 24 h。采用准一级动力学模型和准二级动力学模型对实验数据进行拟合，这两个模型的表达式分别如下[134]： ( ) = 1 (2 2) =1 2 2 (2 3)式中 qe（mg/g）与 qt（mg/g）分别为平衡时刻和 t 时刻的铀吸附量

一级动力学模型,动力学模型,吸附铀

28图 2.4 UHMWPEF-AO 吸附铀的动力学模型：准一级动力学模型（a），准二级动力学模型（b）Fig. 2.4 Pseudo-first-order (a) and pseudo-second-order (b) plots for the adsorption ofU(VI) by UHMWPEF-AO

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