功能化无机二维材料用于铀和铯的吸附研究

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随着核工业的发展,人类对核资源的需求日益增加。在核工业快速发展的同时产生了大量放射性废液,其中代表性的放射性核素包括铀、铯等。铀是不可再生资源,同时具有一定的化学毒性和放射性,可以通过食物链进入人体,对人类健康造成严重威胁。放射性铯具有较好的可溶性,可在环境中长距离迁移。有机体吸收放射性铯会导致化学中毒和增加内照射的风险。因此,从放射性废液中分离铀和铯对核能的可持续发展具有重要意义。然而,由于低放废液的高盐度和大量的共存离子,对吸附剂的设计提出了更高的要求。离子印迹技术是一种为模板离子设计结合位点,使印迹位点可以选择性识别特定离子的技术。然而,传统的印迹聚合物传质阻力大,位点可及性差,导致材料对目标离子的吸附容量低。普鲁士蓝由于其立方晶格的尺寸与水合的铯离子的直径非常匹配,对铯离子具有很强的亲和力,但由于其自身水溶性好、难回收、容易造成二次污染等问题限制了其大规模使用。二维片层硅比表面积大、厚度薄且易于进行有机改性。将二维片层硅与离子印迹技术相结合,可以有效解决传统离子印迹聚合物位点被掩埋的问题,从而提高传质速率和吸附容量。二维氮化碳具有良好的热稳定性和化学稳定性,且均匀分布的氮原子可为普鲁士蓝纳米颗粒提供丰富的结合位点,解决其难以回收的问题。本论文针对低放废液处理的难点,分别以二维片层硅和氮化碳作基底材料,使用离子印迹技术和普鲁士蓝进行功能化,用于分离低放废液中的铀和铯,系统研究了其吸附性能。本论文具体的研究如下:(1)二维离子印迹片层二氧化硅用于从低放废液中选择性提取铀从低放射性废液(LLRE)中回收铀对核能的可持续发展具有战略意义。然而,LLRE的高盐度、大量共存核素和放射性是选择性提取铀的主要挑战。在本章节中,研究了一种二维U(Ⅵ)印迹策略,通过一步法在片层介孔硅上设计特定的U(Ⅵ)印迹腔来选择性地提取铀。由于片层硅的二维结构,最优吸附剂具有较大的比表面积(497.7m2 g-1)和丰富的带有磷酸酯基团的印迹腔。因此,该吸附剂在298 K时的吸附容量为224.2 mg g-1,高于大多数U(Ⅵ)印迹的吸附剂。随着温度升高到308 K和318 K,吸附容量分别增加到253.8和274.0 mg g-1。另外,由于对铀的高亲和力和印迹腔的稳定性,即使在6个吸附-解吸循环后,吸附剂仍能保持良好的耐盐性和高选择性。该工作提供了一种设计用于从LLRE中高容量、高选择性提取铀的高效吸附剂的新思路。(2)普鲁士蓝纳米颗粒修饰氮化碳用于低放废液中铯离子的吸附普鲁士蓝是公认的选择性提取铯离子的优良吸附剂,但由于水溶性好、易团聚且回收困难等问题限制了其广泛应用。本研究提供了一种普鲁士蓝纳米颗粒修饰的氮化碳复合材料(PB/C3N4)的合成策略。通过TEM,SEM,FT-IR,XRD和BET等对PB/C3N4复合材料进行了表征,随后研究了该材料的吸附剂用量,并探讨了在不同pH值下的吸附行为,共存离子的影响以及吸附动力学。结果表明,PB/C3N4-3对Cs+的吸附符合二级动力学模型,属于化学吸附,且在30分钟即可达到吸附平衡。并且,除K+和Na+会对PB/C3N4-3的吸附性能产生微弱影响外,其他共存离子几乎不干扰PB/C3N4的吸附性能。该复合吸附剂可以提高铯在普鲁士蓝纳米颗粒中的传质速率,并解决其易团聚和在水溶液中难以回收等问题,在放射性废水除铯方向具有广阔的应用前景。
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