發(fā)布時(shí)間：2020-06-09 02:26

【摘要】：核電作為一種對(duì)人類和環(huán)境沒有嚴(yán)重危害且較為成熟的電力供應(yīng)技術(shù),是解決能源危機(jī)的潛在動(dòng)力來源。然而,核能的日益發(fā)展耗費(fèi)了巨大的資源,也導(dǎo)致了大量的核廢料產(chǎn)生。鈾作為乏燃料的重要原料,同時(shí)也是主要的放射性污染元素。因此,如何有效地進(jìn)行分離富集自然界中的鈾和凈化鈾污染的水體是環(huán)境保護(hù)和核發(fā)展過程中的焦點(diǎn)問題。本文從設(shè)計(jì)合成高比表面積、高孔容、介孔尺寸均勻、豐富活性位點(diǎn)的功能性介孔材料出發(fā),采用模板法制備了介孔碳(MCMs)、介孔氮化碳(g-C3N4-T)、介孔二氧化硅(Si02-COOH),靜態(tài)批示實(shí)驗(yàn)、常規(guī)表征技術(shù)、先進(jìn)的EXAFS光譜分析和DFT理論計(jì)算探討U(VI)在模板法制備的介孔材料上的吸附行為和作用機(jī)理。(1)以有序介孔硅SBA-15為模板,蔗糖和葡萄糖為碳源,采用硬模板法制備出介孔碳材料(MCMs)用于含鈾廢水的凈化。該吸附劑的比表面積高達(dá)682 m2/g,有序均勻的介孔孔道和大量的含氧官能團(tuán)提供了有效活性位點(diǎn)。靜態(tài)批示實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,MCMs對(duì)U(VI)的最大飽和吸附量達(dá)到293.95 mg/g。具有優(yōu)越循環(huán)性能的MCMs在模擬水體中依舊能保持良好的吸附性能。結(jié)合FTIR和XPS光譜分析,MCMs表面和介孔孔道內(nèi)部的羥基和羧基官能團(tuán)在U(VI)的吸附過程起主要作用。(2)以主要成分為CaC03且具有獨(dú)特孔道結(jié)構(gòu)的天然蟹殼作為生物模板,尿素作為前驅(qū)體,采用硬模板法制備了不同聚合溫度的介孔g-C3N4。多尺度表征證明了介孔g-C3N4中的有序介孔結(jié)構(gòu)以及豐富吸附位點(diǎn)(如C-N=C,N-(C)3和C-N-H基團(tuán))。吸附批示實(shí)驗(yàn)表明,在pH 5.0的情況下具有最高聚合度的g-C3N4-550在120分鐘內(nèi)達(dá)到了吸附平衡,并具有較高的飽和吸收量(149.70 mg/g)。EXAFS 分析中 U-N 殼層(R=2.80 A)的存在揭示了在 pH 5.0 時(shí) g-C3N4-550對(duì)U(VI)的吸附主要是內(nèi)層絡(luò)合作用。DFT計(jì)算進(jìn)一步證明了 U(VI)與g-C3N4之間的強(qiáng)相互作用(Ead=156.83 kcal/mol),且推測(cè)最有效的吸附位點(diǎn)在g-C3N4-550三嗪結(jié)構(gòu)單元形成的碳氮雜環(huán)中間。(3)采用軟模板法制備介孔二氧化硅微球,并進(jìn)行羧基官能團(tuán)修飾以提高對(duì)高價(jià)放射性核素的吸附性能。有序的介孔結(jié)構(gòu)和豐富的活性位點(diǎn)使SiO2-COOH在各種條件下比未經(jīng)改性的Si02具有更好的去除U(VI)性能。吸附實(shí)驗(yàn)表明U(VI)在SiO2-COOH上的吸附平衡時(shí)間小于15分鐘,最大飽和吸附量為46.53 mg/g(pH3.0)、167.79mg(pH5.0)和 328.95mg/g(pH8.0),且具有良好的循環(huán)性能。在不同的環(huán)境干擾下SiO2-COOH均能有效地從溶液中固定U(VI)。更根本的是,通過光譜分析論證了 Si02-COOH表面的羧基在吸附過程發(fā)揮了組合作用:(1)親水基團(tuán);(2)吸電子基團(tuán);(3)與U(VI)的結(jié)合位點(diǎn)。綜上本文成功采用模板法制備介孔材料,并從宏觀、微觀和分子水平等方面對(duì)U(VI)在介孔材料上的吸附行為和作用機(jī)理進(jìn)行研究分析。本研究合成的一系列介孔材料在含鈾廢水處理上表現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力,為之后的核素富集分離和放射性廢水凈化的基礎(chǔ)研究和技術(shù)發(fā)展上提供一些參考依據(jù)
【圖文】：

萄糖和４５邋ｍＬ超純水的混合溶液中。溶液在磁力攪拌４小時(shí)后，倒入高壓反應(yīng)逡逑釜中在１８０邋°Ｃ反應(yīng)１５小時(shí)。包裹碳的ＣＭＫ－３用超純水洗滌后在６０邋°Ｃ真空干逡逑燥箱干燥，得到介孔碳（ＭＣＭｓ）。ＭＣＭｓ的合成過程如圖２－１所示。逡逑ＳＢＡ－１５邐ＳＢＡ－１５＠ＣＳ邐ＣＭＫ－３逡逑＾邋＾＾Ｃａｒｂ0ｎｉＺａ，，ｉ0，＾Ｋ＼逡逑？邐Ｍ邋ｓｉ．，ｃａ逡逑＊＿邋—ｎ逡逑＿邋Ｃａ—逡逑￥邋ｕｒａｎｉｕｍ逡逑ＭＣＭｓ－Ｕ（ＶＩ）邐ＭＣＭｓ逡逑圖２－１：邋ＭＣＭｓ的合成過程和Ｕ（ＶＩ）在ＭＣＭｓ上的吸附過程逡逑ＩＩ逡逑

２．３．２吸附動(dòng)力學(xué)逡逑對(duì)不同Ｕ（ＶＩ）初始濃度（１０邋ｍｇ／Ｌ、２０邋ｍｇ／Ｌ和４０邋ｍｇ／Ｌ）在ＭＣＭｓ上的吸附過逡逑程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研宄以評(píng)價(jià)其吸附速率。如圖２－５ａ所示，在吸附反應(yīng)開始的５０逡逑分鐘內(nèi)Ｕ（ＶＩ）在ＭＣＭｓ上的吸附率明顯增加，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加吸附率保持在逡逑相對(duì)較高的水平。快速吸附速率表明ＭＣＭｓ表面具有豐富的吸附活性位點(diǎn)，在逡逑表面的結(jié)合位點(diǎn)逐漸被鈾酰離子占據(jù)，所以目標(biāo)離子需要克服長(zhǎng)距離傳遞的空間逡逑位阻達(dá)到ＭＣＭｓ內(nèi)表面或內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，致使吸附速率逐漸減緩．。在Ｕ（ＶＩ）初始逡逑濃度為１０邋ｍｇ／Ｌ、２０邋ｍｇ／Ｌ和４０邋ｍｇ／Ｌ的吸附情況反應(yīng)平衡后，ＭＣＭｓ對(duì)Ｕ（ＶＩ）的逡逑去除率分別為９６％、９４％和８８％。此外，更高的Ｕ（ＶＩ）初始濃度提供了更高的驅(qū)逡逑動(dòng)力，促進(jìn)Ｕ（ＶＩ）從液相向表面結(jié)合位點(diǎn)的傳遞，因此Ｕ（ＶＩ）在ＭＣＭｓ上的吸附逡逑率隨著Ｕ（ＶＩ）初始濃度的增加而升高。利用適當(dāng)?shù)膭?dòng)力學(xué)模型擬合Ｕ（ＶＩ）在ＭＣＭｓ逡逑上的吸附動(dòng)力學(xué)可以得到吸附機(jī)理的有用信息
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X771;TQ424

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本文編號(hào)：2704034