新型高性能铀酰离子吸附材料制备及应用研究

发布时间：2020-11-08 15:00

　　 铀作为全球核工业中最为重要的元素之一,被广泛的应用于核能产业中的核燃料以及国防战略中的核武器。中国具有可开采价值的铀资源量相对世界其他国家较少。随着未来全球核电的高速发展,铀资源的短缺和供需矛盾以及对铀矿的开采将变得愈演愈烈。海洋中的铀资源含量巨大,可支持核能发电数千年。在铀矿开采等核工业活动的过程中,铀矿尾液的放射性废弃物具有潜在的危险性。含铀放射性废水排放进入环境会对人类的健康以及整个生态圈都造成极大的破坏。因此从资源利用和环境保护两个方面出发,海水提铀以及核工业废液中铀的去除是迫在眉睫的任务。在铀提取的过程中,遇到的最大挑战是环境中的微生物污染、共存离子的竞争吸附以及低浓度铀的去除等等。本论文主要以提高吸附材料的抗微生物污染性、吸附选择性以及铀去除的高效性为研究目的。选用超高分子量聚乙烯纤维和回收废弃的高分子薄膜作为基材,利用辐射技术以及化学修饰的方法对材料进行功能化的改性,包括锌离子和季铵官能团的引入、辐射引发的离子印迹技术以及辐射引发接枝和化学引发接枝联用的方法。最终制备出一系列吸附材料用以研究如何解决上述铀提取遇到的几大挑战。然后对吸附材料的化学结构组成、微观形貌以及官能团在空间上的分布进行了分析和讨论。最后采用静态吸附、流动柱吸附以及真实海水吸附对吸附材料的铀吸附和去除做了系统的研究。论文的具体内容如下:(1)Zn@AO纤维的制备及其对铀的吸附和抗微生物污染性研究通过辐射接枝技术和氨肟化反应对超高分子量聚乙烯纤维修饰偕胺肟和羧基官能团。随后对偕胺肟修饰的超高分子量聚乙烯纤维进行Zn~(2+)的微量预负载处理。同步辐射红外光谱表明Zn~(2+)主要与纤维上的羧基进行结合。通过铀溶液吸附评测和抗菌性评测,研究结果表明负载锌离子之后,对铀的吸附容量增加了37%,吸附速率常数提高了67%。并且吸附材料对黑曲霉、枯草杆菌和溶藻弧菌的抗菌性能均提高。最后在真实海水中对铀的吸附容量提高了50%以上,吸附材料表面的海洋微生物污染有明显减少。(2)季铵盐型吸附纤维的制备优化及其对铀的吸附研究采用辐射接枝技术在超高分子量聚乙烯纤维上修饰丙烯腈和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯。通过改变氨肟化和季铵化的顺序对季铵型偕胺肟吸附材料的制备进行了调控和优化。通过吸附实验的筛选以及SEM-EDS对官能团的空间分布进行表征,研究结果表明当季铵基团分布在纤维的内部,而偕胺肟基团分布在纤维的外层时,季铵型偕胺肟吸附材料(Q-AO)对铀的吸附性能最好。与仅仅偕胺肟修饰的吸附材料相比,Q-AO具有更高的吸附容量和吸附速率。而且季铵官能团的修饰提高了偕胺肟官能团的利用率。在真实海水中,Q-AO对铀的吸附容量增加了七倍,选择性也得到了显著提升。并且具备一定的抗微生物污染性。(3)印迹型纤维的制备及其对铀的选择性吸附研究采用辐射接枝技术在超高分子量聚乙烯纤维上修饰丙烯酸-4-羟丁酯缩水甘油醚(4HB)单体,再通过开环反应、迈克尔加成反应和氨肟化反应修饰上偕胺肟官能团,制备得到偕胺肟吸附纤维。然后在辐射引发的交联反应下,对吸附材料进行了印迹化处理。由于离子印迹技术使得纤维上的偕胺肟官能团与UO_2~(2-)具有特定的互补空间结构和固定配位结构,材料表面出现了微纳米孔以及亚纳米级的自由体积孔洞。吸附实验结果表明,印迹化之后,吸附材料对铀的吸附选择性和吸附容量有显著的提高。(4)AO-Membrane的制备及其对铀溶液的去除研究对废弃的塑料进行回收作为高分子薄膜基材,并采用电子束引发接枝技术在基材上修饰羟基,然后利用氧化还原引发接枝修饰丙烯腈和丙烯酸,最后氨肟化处理制备得到偕胺肟高分子薄膜吸附材料AO-Membrane。表征发现吸附材料表面出现了孔洞以及有序排列的纳米颗粒状结构,并且氧化还原接枝的单体主要分布在高分子薄膜的外层。力学强度可以维持在14 MPa。吸附实验结果表明,在pH为3到8之间,AO-Membrane对低浓度的铀溶液处理可以使铀浓度从100μg/L降至50μg/L以下达到国家规定直排标准。样品对铀的去除性能随着循环使用次数的增加反而增强。流动吸附实验结果表明AO-Membrane可以处理超过自身体积1250倍的1 mg/L浓度的铀溶液,并且0.5 mol/L的盐酸溶液可以对吸附上的铀进行完全的快速脱附。
【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】：2020
【中图分类】：X771;TQ424
【部分图文】：

通常用经济型可开采的铀储量(开采成本<$130/kg U)来表示国家的铀资源量更有实际意义。从这个定义上来说,铀资源储量世界排名前五位的国家分别是澳大利亚(170万吨)、哈萨克斯坦(68万吨)、俄罗斯(51万吨)、加拿大(49万吨)和尼日尔(40万吨)。而且世界铀资源的分布非常不均匀,前15个国家占总数的95%[19]。在另一方面,铀矿的开采会带来其他问题,例如副产物铀矿尾液。在采矿过程中,原始的铀矿被压碎成细沙,然后通过酸或碱利用堆摊浸出的方法回收有价值的含铀矿物,剩下的被称为铀矿尾液的放射性废弃物被储存在巨大的蓄水池中。据国际原子能机构统计(图1.3),[20]世界铀矿尾液的总量为10亿吨左右。中国要求核工业废水中铀的可排放标准为50μg/L[16-17]。研究如何治理铀矿尾液中铀等重金属离子能有效的降低尾矿对环境的破坏。在另一方面尾矿中含量在几百到几千微克/升的低浓度铀也是铀回收的另一种选择。

从天然海水中回收铀的实验是在中国广东沿海附近进行的。吸附材料包装在聚甲基丙烯酸甲酯的水槽(152.6×28.4×15 cm)中,吸附材料自由分散在水中。所使用的吸附水槽的照片如图2.1所示。在温度为22±3℃下从储有海水的水库中用水泵抽出海水通入水槽,最终排出到海洋。水槽中水的流速由电动机控制器控制。入口流量调节为1.5 L·min-1,流速为0.0021 m·s-1。吸附30天后,从水槽中回收吸附材料,用水洗涤并干燥,随后用HNO3在MARS6微波消解仪(美国CEM)中以6.6 K·min-1的速率从25℃加热到190℃进行消解,保持25分钟。然后自然冷却。用去离子水将高浓度铀的消解液稀释一定倍数,以达到ICP-AES的测量范围。吸附材料对金属离子的吸附容量(QM,mg?g-1)通过公式2.6进行计算:

AO fiber和Zn@AO fiber分别吸附铀之后,图2.2 B中的同步辐射FTIR也表征了材料的化学结构变化。C=N和COO-的特征吸附峰都发生了分裂并且向蓝移,波峰分别为1662和1580 cm-1处左右[71]。这意味着这些官能团可能参与了铀的螯合反应,[154-155]这反应了两种官能团对铀发生了协同吸附。其中AO fiber和Zn@AO fiber吸附铀之后,在930 cm-1附近的峰强得到了增强,这是因为UO22+和N-O发生了螯合作用[156-157]。2.3.2 吸附实验
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 张莹;张教强;杨满红;赵海;;纤维素基离子吸附材料的研究进展[J];材料开发与应用;2011年01期

2 胡志彪;陈杰斌;张著森;周云龙;李福新;丁马太;;竹炭对铬(Ⅵ)离子吸附性能的研究[J];功能材料;2008年03期

3 庄杰;张玉龙;刘孝义;;土壤胶体表面重金属铅离子吸附特性的磁致效应研究[J];环境科学进展;1996年04期

4 张志涛;;旱田土壤对铜离子吸附特征研究[J];城市地理;2017年02期

5 王晨;;锂渣混凝土中氯离子吸附的影响因素研究[J];山西建筑;2018年17期

6 王晓梅;李克非;;水泥基材料裂隙表面离子吸附过程[J];硅酸盐学报;2011年01期

7 徐明岗;土壤离子吸附 3.离子吸附的动力学[J];土壤肥料;1998年01期

8 王福春;雷浩;刘能生;赵君梅;刘会洲;王万坤;;生物质基金属吸附材料的研究进展[J];昆明理工大学学报(自然科学版);2017年01期

9 李佳珂;;变性淀粉对铜离子吸附能力的分析[J];化工技术与开发;2017年04期

10 李峰,张西平,黄昆,邹国林;产朊假丝酵母细胞壁对铜离子吸附机理研究[J];微生物学杂志;2000年01期

相关博士学位论文 前10条

1 敖浚轩;新型高性能铀酰离子吸附材料制备及应用研究[D];中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所);2020年

2 赵芳;蛭石—水溶液体系中锌、镉离子吸附特性与离子吸附理论[D];中南林业科技大学;2007年

3 张伟;新型复合铁钛锰吸附剂的研制及其除砷效能与机制研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

4 任宗礼;磁性吸附材料的制备及其在印染废水处理中的应用[D];兰州交通大学;2018年

5 黄亮;CaO基高温CO_2吸附材料的改性及其促进机理研究[D];北京林业大学;2019年

6 王全勇;用于二氧化碳捕集的聚合物多孔吸附材料合成及性能研究[D];北京化工大学;2017年

7 刘琼;牡丹壳基吸附材料的制备及吸附性能研究[D];郑州大学;2019年

8 牛耀岚;新型壳聚糖纤维材料的制备及其对重金属离子的吸附研究[D];上海交通大学;2017年

9 尹亮亮;纳米磁性UiO-66复合材料的合成及其对锶选择吸附性能的研究[D];中国疾病预防控制中心;2019年

10 田思聪;钢渣制备高效钙基CO_2吸附材料用于钢铁行业碳捕集研究[D];清华大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 吴英博;黄壤颗粒表面离子吸附动力学中的离子特异性效应[D];西南大学;2018年

2 贾增强;矿物表面电场对离子吸附和阴阳离子耦合的影响[D];西南大学;2018年

3 王晨;锂渣对混凝土中氯离子吸附性作用的研究[D];新疆大学;2018年

4 安富强;新型螯合吸附材料的制备及其对重金属离子吸附性能的研究[D];中北大学;2006年

5 陈佳雯;《辐射技术与先进材料》英译实践报告[D];上海师范大学;2018年

6 乔丹;魔芋基吸附材料的制备及其对铯的吸附性能研究[D];西南科技大学;2018年

7 金浩;炭陶除氟吸附材料的研究[D];福建农林大学;2009年

8 刘倩;稀有金属改性壳聚糖衍生物对水体中氟离子吸附特征的研究[D];西北农林科技大学;2016年

9 王梅;Mg-Al-Zr三金属复合纤维素氟吸附材料的制备和性能表征[D];华南农业大学;2017年

10 黄河;快速分离型多孔吸附材料的制备、表征及其应用研究[D];湖南理工学院;2019年

本文编号：2874941