抗生物淤积性铀吸附材料的设计与制备及其性能研究

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随着化石燃料的逐渐耗尽以及环境污染的日益严重,新能源的开发迫在眉睫。核能是继化石燃料之后最高效且清洁的能源之一。铀是核能的主要燃料,然而可直接开采的常规铀资源非常有限且分布不均,因此,从海水和盐湖水等非常规铀资源中提取铀是核能可持续发展的重要选择。而自然界中微生物的存在对铀提取具有很大的影响,因此设计具有抗生物淤积性的铀吸附材料非常重要。基于此,本论文针对不同的基底材料设计并合成了三种吸附剂,并对其铀吸附性能与抗生物淤积性进行研究,主要结果如下:1、将偕胺肟化二氨基马来腈(DO)和ZnO共修饰的氧化石墨烯(GO-DO/ZnO)与壳聚糖(CS)进行复合,成功合成了具有较大比表面积的三维多孔结构气凝胶(CS-GO-DO/ZnO)。吸附实验表明,CS-GO-DO/ZnO气凝胶的最大铀吸附量可达561.09 mg/g,吸附过程为化学单分子层吸附。此外,CS-GO-DO/ZnO气凝胶也表现出优异的铀选择性以及良好的防污抗微生物性能。FI-IR与XPS研究表明,其吸附机理源于吸附材料中偕胺肟基、氨基与铀的配位作用。2、选择乙烯基膦酸作为铀酰的特异性结合官能团,亲水性高分子聚丙烯酰胺作为凝胶框架,成功合成了具有高铀吸附量和良好选择性的p(VPA-AM)n水凝胶,并通过在原位负载ZnO,合成了p(VPA-AM)n/ZnO材料。实验表明,即使是在极高的离子强度下p(VPA-AM)n和p(VPA-AM)n/ZnO仍可对铀进行有效的吸附,在298.15 K,p(VPA-AM)n和p(VPA-AM)n/ZnO的最大吸附量分别达到644.67 mg/g和564.32 mg/g,其吸附过程均为自发吸热的化学单分子层吸附。另外,p(VPA-AM)n比p(VPA-AM)n/ZnO拥有更好的选择性和重复吸附性,在5次吸附洗脱循环之后p(VPA-AM)n仍可保持原来吸附量的98%左右,而p(VPA-AM)n/ZnO由于ZnO的存在表现出明显的抑菌效果,在不同浓度的三种细菌处理后,其吸附率仍能保持原来的94.60%以上。FT-IR和XPS分析表明该类材料对铀的吸附源于UO22+与-PO43-之间的强相互作用。3、通过两步功能化,将杀菌剂聚六亚甲基胍(PHMG)交联于低成本的脱脂棉纤维上,成功的制备了具有抗生物淤积性的高效生物纤维铀吸附材料(DC-AO-PHMG)。一系列实验表明,PHMG作为阳离子型杀菌剂的微量引入,提高了材料在酸性条件下的吸附稳定性。在高离子强度下,DC-AO-PHMG仍可达到164.03 mg/g的吸附量,且吸附过程与准二阶动力学模型和Langmuir吸附等温模型相符合,说明吸附过程可能发生在DC功能化的外表面,表现为自发吸热的化学单分子层吸附。FT-IR、EDS和XPS分析表明DC-AO-PHMG上的偕胺肟基和PHMG上的氨基协同作用提高了DC-AO-PHMG材料的吸附性能。此外,DC-AO-PHMG对实验中的五种细菌都表现出了较好的抗性,尤其对于三种水生细菌BEY、BEL和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)的抗性更明显,说明DC-AO-PHMG材料具有在实际水样中富集铀的潜力。
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