稳定性状态可调的水基磁流体及其在核污水处理中的应用

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核污水处理是当前环境治理领域最紧迫、最艰巨的任务之一,相关污水处理方法及应用是研究重点。其中,吸附法往往具有容量大、适用性强和易操作等优点而被认为是最为有效的处理方法之一。然而,传统的吸附材料由于稳定性差或可回收性差,在应用过程中需要通过摇晃来发挥作用,或通过离心来回收吸附剂来避免难回收造成的二次污染等,在一定程度上限定了其深度应用。为解决上述问题,本文提出具有稳定状态可调的新型水基磁流体制备方法,并开展了系统的表征、稳定性影响以及应用探究,相关研究对于推动磁性吸附材料制备技术及磁分离技术的发展具有重要意义。主要研究内容和成果如下:首先,在水基磁流体制备和表征方面,提出了可控静电作用力与磁相互作用力竞争的磁流体稳定性可调策略,并基于原位生长法在聚乙烯亚胺水溶液中生长磁性纳米粒子,解决了现有吸附材料强稳定性和易回收性不可兼得的固有难题。此外,通过优化反应原料的比例和用量,获得了组成成分纯净、聚集体尺寸小、正电性强、氨基含量高和高饱和磁化强度的磁性纳米粒子,其悬浮于水中可以形成稳定的磁流体,在磁场的控制下表现出灵活的流动性。同时,结合多种仪器和方法对合成的产物进行表征,系统分析了产物的组成成分、粒径、Zeta电位、形貌以及磁学性能。其次,在水基磁流体稳定性影响因素探究方面,观测了不同金属离子以及不同溶液p H值下水基磁流体的沉降情况,并对不同情况下的沉降动力学进行了表征。结果表明,水基磁流体在p H 3-11的宽范围内都可以保持长效的稳定性,具有较强的p H适应性和稳定性,且可通过电荷中和来使其发生沉降,进而实现了水基磁流体的稳定状态可调;在自然水体中Na+、Ca2+浓度下,水基磁流体可以保持长效稳定。同时,借助多种表征方法阐明了常见金属离子以及溶液p H值影响水基磁流体稳定性的作用机理。最后,在水基磁流体的应用方面,以常见的放射性核素以及生物毒性较强的离子为研究对象,系统探究了水基磁流体在不同p H、核素初始浓度、吸附时长以及离子强度等条件下对放射性核素吸附性能的影响规律。研究结果表明,本所制备的水基磁流体在放射性核素去除方面具有操作简单、p H值适应性广、污染物适用性强、吸附动力学快、吸附容量大等特点;水基磁流体对U(VI)、Sr(II)以及Co(II)的最大吸附容量有望达到331.5、427.8和759.6 mg/g。同时,借助X射线光电子能谱分析阐明了水基磁流体吸附核素的作用机理。
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