葫芦脲复合材料的制备及其对核素铀吸附性能的研究
作者单位：吉林大学
学位级别：硕士
导师姓名：石磊
授予年度：2022年
学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术]
摘 要：铀是核燃料应用中不可缺少的资源,同时也是一种具有化学毒性和放射性的危险放射性核素。随着铀矿开采和工业生产,包括核燃料循环、铀转化、燃料制造、磷肥的使用和其它工业的应用,都会产生大量的含铀废物。若越来越多的放射性铀（Ⅵ）释放到周围环境中,则会对土壤、地表水和地下水形成长期潜在危害。铀（Ⅵ）和铀（IV）是铀的两种主要形态,铀（Ⅵ）具有较高的溶解度、流动性和毒性,六价铀（Ⅵ）比四价铀（IV）对公众健康的负面影响更为严重。越来越多的数据表明,过量暴露在铀环境中会导致生物体发生致命的病变和基因突变,引起长期的毒性以及癌症的发生。因此,放射性废物的处理已成为世界各国关注的热点,为了铀资源的回收和生态系统的安全,从水溶液中去除分离铀（Ⅵ）具有十分重要的意义。由于葫芦脲可以与铀酰离子配位以及有效结合金属离子,很多研究提出葫芦脲作为捕获重金属离子以及铀酰离子的材料具有广泛的应用前景。本文首先制备了葫芦[6]脲,利用溶剂热法,浸渍法等方法将葫芦[6]脲与其它材料相结合制备了几种葫芦[6]脲基复合材料,用于水溶液中铀酰离子的吸附。目的:通过比较原材料与复合材料对放射性核素铀的吸附性能,考察引入葫芦[6]脲后是否改善原单一材料对铀酰离子的吸附性能。在静态吸附体系中,通过控制变量,确定葫芦[6]脲基复合材料吸附的最佳p H条件;对复合材料吸附铀酰离子的吸附动力学进行系统研究;采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型对吸附数据进行拟合;为进一步探索葫芦脲及其复合材料对废水中放射性核素铀的吸附奠定一定的理论基础。方法:通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察复合材料前后的形貌;用Cu-Ka射线衍射仪（XRD,SAXS）测量样品的晶体结构的变化;通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实官能团变化及吸附材料之间的络合作用;采用X射线光电子能谱（XPS）检测复合材料中元素种类及化学键的修饰情况;通过N2吸附-脱附等温线和比表面积测试法（BET）分析复合材料比表面积、孔径及孔容的变化;通过热重分析（TGA）测试复合材料的热稳定性能;利用微量铀分析仪和ICP-OES分别检测吸附后溶液中铀离子的浓度。结果:1.采用简单浸渍法将葫芦[6]脲（CB[6]）和介孔二氧化硅（SBA-15）有效结合,成功制备了介孔复合材料SBA-15@CB[6]。该复合材料对铀（Ⅵ）的吸附最佳p H=4.5,在20 min左右达到吸附平衡,最大吸附容量为200.8 mg/g。吸附行为符合Freundlich等温线模型和准二级动力学模型,属于单层化学吸附。此外,还对复合材料的吸附-解吸循环重复使用进行了研究,在至少四次吸附-解吸循环中,材料的吸附容量保持稳定,吸附容量没有明显的下降。2.通过溶剂热法成功合成了不同质量比的葫芦[6]脲（CB[6]）-大孔炭（MC）复合材料,将材料用于废水中铀的吸附研究。在p H=5时,CB[6]含量高的复合材料对铀表现出优异的吸附性能,25%CB[6]-MC材料最高吸附容量可达343.6 mg/g,明显高于大孔炭微球吸附容量,吸附行为符合Langmiur吸附模型,且具有良好的重复性和稳定性。3.以SBA-15@CB[6]为模板,通过蔗糖碳化反应成功合成了一种独特的葫芦[6]脲衍生氮掺杂介孔碳（CMK-3-CB[6]N）复合材料。在p H=5时,CMK-3-CB[6]N复合材料对铀表现出优异的吸附性能,吸附行为符合Langmiur吸附模型,模拟显示最高吸附量可达到197.3 mg/g,常温下在40 min达到吸附平衡,吸附过程倾向于拟二级动力学方程。结论:1.以SBA-15为载体,采用一种简单可行的方法将CB[6]负载到SBA-15表面,合成了一种新型的介孔SBA-15@CB[6]复合材料。在p H 4.5,298 K条件下,SBA-15@CB[6]复合材料的吸附效果良好,是一种吸附铀（Ⅵ）的优良复合吸附材料。2.通过简单、高效的溶剂热法成功合成了一种新型的大孔碳复合材料,CB[6]含量高的25%CB[6]-MC复合材料,在p H=5时,温度25℃下,从水中吸附UO22+的最大吸附容量为343.64 mg/g,与大孔炭微球相比较,吸附性能得到明显提升。3.采用掺杂CB[6]的方法制备了葫芦[6]脲氮掺杂介孔碳（CMK-3-CB[6]N）复合材料。CMK-3-CB[6]N对铀（Ⅵ）有较好的吸附性能,其单层吸附量明显高于改性前的CMK-3。认为CMK-3-CB[6]N在去除水溶液中铀酰离子的应用中具有一定的潜力。
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