含氧/氮/硫官能团化氧化石墨烯的等离子体法制备及其对U(Ⅵ)的富集性能研究

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高选择性U(Ⅵ)富集新材料的开发对于U(Ⅵ)的污染治理和海水提铀的发展具有重要意义。为了探索不同官能团在U(Ⅵ)吸附中的作用,采用改良Hummers法制备氧化石墨烯(GO),在此基础上通过等离子接枝技术制备含氧(呋喃)、含氮(吡咯和苯胺)和含硫(噻吩)官能团化氧化石墨烯,即呋喃/GO(FGO)、吡咯/GO(PGO)、苯胺/GO(AGO)和噻吩/GO(TGO)复合吸附材料。比较未加工的GO和官能团化后GO的富集性能,评估含氧、含氮、含硫官能团在U(Ⅵ)富集中的作用。采用XRD、SEM、XPS、FT-IR、BET等表征方式分析了材料的结构性质。以pH值、离子干扰、吸附时间和温度等因素为介质变量,通过吸附实验研究复合材料对U(Ⅵ)的吸附能力,并结合吸附等温模型、动力学吸附模型和热力学参数探索吸附过程的机理。并且在实验的基础上对AGO材料进行了人体肝细胞毒性和鱼体毒性实验研究。具体实验内容及结论如下:(1)在GO的基础上,采用射频等离子体技术将呋喃、吡咯、苯胺和噻吩接枝于GO表面制备复合材料。通过SEM、XRD、EDS mapping、XPS、BET等表征方法表明了等离子体可对GO表面进行改性,且改性后含氧、含氮、含硫官能团均匀地接枝在材料表面,证明了FGO、PGO、AGO和TGO复合材料制备成功。通过TGA分析可知,FGO、PGO、AGO和TGO的官能团接枝率分别约为12.28%、4.99%、7.53%和7.72%。等离子体改性会减小微孔材料GO的比表面积,而接枝苯胺后不仅会减小比表面积还会增大材料的孔径,最后改性成介孔材料。(2)吸附实验表明,FGO、PGO、AGO和TGO对U(Ⅵ)都有很好的吸附性能,U(Ⅵ)在FGO、PGO、AGO和TGO上的吸附过程都符合准二级动力学方程和Langmuir模型,说明吸附都为单分子层的化学吸附。综合多种环境因素,材料的选择吸附能力顺序为:AGO>FGO>TGO>PGO。AGO不仅有着优异的选择吸附能力还有良好的循环利用能力,其最大吸附容量可达341.5 mg/g(pH 5.0,25°C);热力学也表明AGO吸附U(Ⅵ)过程为吸热反应。(3)U(Ⅵ)吸附机理探讨说明,在低pH值下由于质子化效应,U(Ⅵ)与所有材料都是弱相互作用,这也是材料能够解吸的依据。而在弱酸环境下,不同材料表面上官能团和UO22+作用机理不同导致亲和力差异使得材料的吸附性能不一。分析发现,相较于PGO、FGO和TGO,AGO和U(Ⅵ)有最优的选择性配位能力。(4)毒性实验表明,低浓度时所有材料表现出无毒或低毒性,在高浓度下表现出了明显的毒性,不同材料的毒性大小:TGO>PGO>AGO>FGO;并且FGO、PGO、AGO和TGO吸附U(Ⅵ)后,能降低材料和U(Ⅵ)的毒性。细胞成像图谱也表明了AGO材料的低毒性。(5)鱼体促排实验表明,AGO材料能有效减少U(Ⅵ)在鱼肉中的含量,促进细胞内U(Ⅵ)排出体外。实验也证明U(Ⅵ)在鱼体中主要是富集在骨头中。综合比较四种官能团化氧化石墨烯材料吸附性能和毒性后,发现AGO是具有高效、选择吸附性能,是绿色、环境友好型材料,具有实际污水治理应用的潜力。
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