氧化石墨烯薄膜在放射化学分离中的应用研究

发布时间：2017-12-29 16:25

本文关键词：氧化石墨烯薄膜在放射化学分离中的应用研究　出处：《中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：核能作为一种清洁能源已经成为各国为解决社会经济快速发展、能源需求及环境保护之间矛盾的重要选项。核燃料的前端生产、核电厂的运行、乏燃料后处理等核燃料循环过程会产生大量的放射性废液。这些废液的组成成分复杂,放射性强,会对人类健康和生态环境造成直接或潜在的危险。因此,对放射性废液中的放射性核素进行分离处理,可减小其对环境的危害,便于进一步进行地质处置,是促进核能可持续发展的必要环节。由单层氧化石墨烯(GO)纳米片紧密地平行堆垛而形成的层状结构的分离薄膜,具有独特的选择传质特性,在水溶液中以浓度差为驱动力,可以精确地根据分子和离子水合半径的大小不同进行筛分分离。放射性废液中主要离子的水合离子半径存在明显差异,可以利用GO薄膜进行分离。但离子在GO薄膜上的渗透机制还不是很明确,为研究利用GO薄膜进行放射性废液中金属离子分离的可行性,本论文系统探讨了高放废液(HLLW)中主要离子在GO薄膜上的渗透行为。首先,采用improved Hummers方法合成了GO固体,将其在去离子水中超声得到稳定的GO分散液,随后通过真空抽滤的方法制备了厚度为5μm的GO薄膜。采用原子力显微镜(AFM)、傅氏转换红外线光谱分析仪(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等分析技术对GO和GO薄膜进行表征。利用自组设计和制造的U型装置考察了高放废液中常见离子在GO薄膜上的渗透行为,并探讨研究了离子初始浓度、料液酸度和络合剂对离子在GO薄膜跨膜渗透分离行为的影响及混合离子在GO薄膜上的渗透分离行为。离子在GO薄膜上渗透结果表明,离子在GO薄膜上的渗透速率随着水合离子半径的增大而降低,水合半径比较小的离子,例如Cs~+、Sr~(2+)、Cl-和NO_3-等可以很快通过GO薄膜,而水合半径比较大的镧系和锕系金属离子渗透速率则非常慢;离子在GO薄膜上的渗透速率与离子初始浓度成正比例关系,随着离子浓度的增加而增大,但离子浓度的增加对水合离子半径不同的离子渗透能力的影响程度不同,可以根据此现象提高不同离子间的分离系数;GO薄膜在酸性溶液中的层间距与酸度密切相关,在酸度大于0.1 M时,层间距随着酸度的增加而降低。因此,离子在GO薄膜上的渗透能力随着酸度的增加而降低,但是离子之间的分离系数不断增大。混合离子渗透实验结果证明GO薄膜可以将水合离子半径小的Cs~+和Sr~(2+)与镧系和锕系金属离子分离,单次渗透分离系数可以达到10。另外,水合质子H~+在GO薄膜上的渗透速率比镧系和锕系金属离子要高出2个数量级以上,因此,GO薄膜也可用于放射性废液中酸的去除。研究表明,GO薄膜在放射化学分离领域极具应用潜力。此外,为了去除HLLW中高释热,半衰期比较长的放射性核素90Sr,合成了具有良好的耐酸和耐辐照性的无机/有机复合离子交换剂聚锑酸/聚丙烯腈(PAA-PAN),并利用其进行了一系列静态吸附及柱分离实验研究。静态吸附实验研究表明,复合剂PAA-PAN对Sr~(2+)具有良好的吸附性能,吸附过程是吸热和自发的,并符合Langmuir等温吸附模型,为单分子层吸附。在较广的酸度范围内,复合吸附剂PAA-PAN对Sr~(2+)的吸附效率远远高于对模拟HLLW中其他裂片元素的吸附效率,在3 M酸度下,其对Sr~(2+)饱和吸附量高达20.05 mg g-1。而且,干扰离子Na~+、Fe~(3+)、Cs~+、Ru~(3+)、Rh~(2+)、Zr~(4+)、UO2~(2+)、Th~(4+)和Ce~(3+)对Sr~(2+)在PAAPAN吸附行为影响不显著。通过柱操作,Sr~(2+)可以保留在PAA-PAN柱上,其他裂片元素可以定量回收,成功去除了模拟HLLW中的锶。因此,PAA-PAN复合离子交换剂可以选择性地去除高放射废液中的Sr~(2+),进而有效地降低高放废液的放射强度和释热量。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL941;TQ127.11

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