金属磷酸盐材料的制备及其对铀吸附机理研究

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作为发展核事业中最重要的资源-铀,任由其在环境中迁移、富集会对生物及人自身造成无法挽回的损失。因此,发展高效、经济的吸附剂材料是核能发展的保障性工程。本文通过简洁、高效的制备方法合成两种对U(Ⅵ)具有容量大、速度快等吸附性能的磷酸铁(Ⅱ/Ⅲ)盐,对两种材料的形貌结构、表面官能团、元素分布、比表面积等进行表征,通过批次实验对材料吸附性能进行检测,最终对材料与铀,可能的吸附机理进行探究,最终评估其实际运用价值:1.将磷酸前驱体合成与共沉淀法相结合,建立了一种简便、技术重复性好、经济成本低的磷酸铁(FeyPz)合成方法。该过程从p掺杂碳点(pCD)的合成开始,然后在制Fe3O4过程中引入pCD。有趣的是,FeyPz的合成条件对其吸附铀(U(Ⅵ))能力有显著影响,通过调整FeyPz的官能团和结构可以得到优化的吸附性能。与Fe PO4?2H2O和Fe3O4相比,FeyPz-10对U(Ⅵ)的吸收性能分别提高了3561%和684.5%。基于Langmuir模型的FeyPz-10在p H为4.5时的最大吸附量可达290.4mg/g。此外,该吸附剂具有良好的重复使用性能,在5次循环后仍保持对U(Ⅵ)的高吸附能力,通过XPS分析,证实了吸附剂FeyPz-10对U(Ⅵ)的优异吸附能力主要是Fe2+向Fe3+转化导致U(Ⅵ)还原的结果。2.本章节研究了一种新型的高比表面积磷酸铁(IP),用于在酸性介质中高效吸附铀酰离子。制备的IP为非晶态,比表面积和总孔体积分别高达268 m~2/g和1.04 cm~3/g。特别是,与非晶态Fe PO4(67.3 mg/g)和Fe3(PO4)2(H2O)8(33.8 mg/g)相比含铁离子和含氧、含氮官能团的IP(154.6 mg/g)具有良好的U(Ⅵ)吸附能力。IP的饱和吸附容量达到353.9 mg/g.此外,IP吸附速度快,在20 min内达到吸附平衡,并遵循准二级动力学和弗伦德里希模(Freundlich)型。D-R吸附等温模型与焓值表明此过程为化学吸附行为。离子强度实验与吸附-解吸等温线表明吸附U(Ⅵ)是内层表面络合控制步骤,吸附后材料的官能团及结构没有发生明显变化。除此之外,XPS分析表明,IP捕获U(Ⅵ)的机制不仅与氧化还原反应有关,还与协同化学吸附有关。本课题成功制备两种铀吸附材料(FeyPz-10、IP),通过可行的表征手段对材料的组成成分及形貌结构进行表征并且通过一系列批次实验对其吸附性能进行探究,对其循环性进行验证,表明材料在放射性废水中处理铀U(Ⅵ)具有潜在的运用价值,也为材料进一步研究提供一些思路。
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