放射性核素Eu（Ⅲ）、Th（Ⅳ）和重金属离子Pb（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）在凹凸棒石上吸附研究

摘要

本论文采用静态批式吸附法与微观表征(如FTIR、XRD、XPS等技术)相结合研究凹凸棒石粘土与Ni(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Eu(Ⅲ)、Th(IV)作用机理和模式。本论文共分十章。 第一章简要介绍了论文的选题背景、依据以及研究的基本内容和总体方案。 第二章简要回顾了与固-液界面吸附相关的一些基本概念和理论。 第三章介绍了本工作的详细实验方法。 第四章使用FTIR、XRD、XPS和酸碱滴定分别对凹凸棒石的结构、主要元素组成、官能团和表面“吸附位”进行了详细的表征，得出其本征酸度常数和“表面位”浓度等相关参数。 第五、六章分别对Ni(Ⅱ)在Na-凹凸棒石粘土、柠檬酸铵改性凹凸棒石粘土上吸附进行了详细研究。结果表明Ni(Ⅱ)的凹凸棒石上的吸附作用受pH值、离子强度影响明显；在pH<8时，离子强度的影响强烈；而当pH>8时，Ni(Ⅱ)的吸附不受离子强度的影响。吸附-解吸实验研究表明当pH=6.0时，Ni(Ⅱ)的吸附是可逆的。pH<8时，离交换或外部络合是Ni(Ⅱ)在钠基凹凸棒石上吸附主要的机理；而pH>8时，主要是内部络合模式。腐殖酸的影响表明FA和HA对Ni(Ⅱ)的吸附均有一定抑制作用。温度影响表明温度升高有利于Ni(Ⅱ)在钠基凹凸棒石表面上吸附，且该吸附是-吸热、自发的过程。柠檬酸铵改性凹凸棒石后明显改善或提高了对金属离子Ni(Ⅱ)的吸附作用。在低pH值条件下受外来干扰离子影响明显，在较高pH值条件下却几乎不受外来离子干扰；柠檬酸铵改性凹凸棒石粘土提高了对Ni(Ⅱ)的吸附效果，但是高温处理的凹凸棒石(5000C)由于其结构遭到破坏而使吸附能力减弱。 第七、八章分别讨论了Pb(Ⅱ)在高温活化凹凸棒石上吸附；Eu(Ⅲ)在Na-凹凸棒石上吸附研究：并采用FITEQL对Pb(Ⅱ)、Eu(Ⅲ)的吸附进行表面络合拟合，结果表明在低pH值下主要是“弱位”(=WOH)与金属离子Pb(Ⅱ)、Eu(Ⅲ)发生络合作用；在高pH值下则主要是“强位”(=SO-)与金属离子Pb(Ⅱ)、Eu(Ⅲ)发生络合作用；且离子强度对吸附机理有一定影响。实验结果表明，HA对Eu(Ⅲ)的吸附有明显,的影响；在pH<4时，腐殖酸HS对吸附影响不明显，当48是，吸附又开始随pH值升高而逐渐增大。第九章研究了高温活化凹凸棒石对Th(Ⅳ)的吸附性能。pH值对Th(Ⅳ)在凹凸棒石粘土上的吸附有显著影响，而离子强度对吸附的影响却相对较弱；Th(Ⅳ)凹凸棒石表面主要发生内部络合，腐殖酸FA和HA对吸附有很大的促进作用；腐殖酸的加入次序对Th(Ⅳ)在凹凸棒石上吸附没有明显影响；另外提高反应温度有利于Th(Ⅳ)在高温活化凹凸棒石粘土上的吸附，实验结果表明Th(Ⅳ)在凹凸棒上吸附是自发吸热的过程；最后，高温活化凹凸棒石粘土对Th(Ⅳ)的吸附是不可逆的过程；但是在FA存在的吸附体系中，Th(Ⅳ)的吸附几乎是一个可逆的过程。 第十章对本论文的研究结果进行总结，并对以后的研究提出一些设想。 实验结果表明，凹凸棒石对重金属离子及放射性核素具有较强的吸附能力，其柠檬酸铵的有机改性凹凸棒石粘土对吸附高浓度重金属离子方面具有优势。一般凹凸棒石对Ni(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Eu(Ⅲ)、Th(Ⅳ)的吸附率随体系pH的增大而提高，随体系离子强度的增大而降低。土壤提取物FA/HA对凹凸棒石吸附性能的影响随金属离子种类的不同而不同，在不同的pH区段影响不同。重金属离子和放射性核素在凹凸棒石上的吸附热力学参数计算结果表明，在本实验条件下吸附是个自发的、反应限度很大、放热的过程。表面络合和离子交换是重金属离子和放射性核素在凹凸棒石上的主要吸附机理。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言(论文选题依据及研究意义)

1.1.1放射性核素及重金属离子污染的来源及其危害

1.1.2处理含放射性核素及重金属离子污染物的方法

1.2凹凸棒石粘土的结构、物化性质和应用简介

1.2.1凹凸棒石的矿物学定义及其主要分布特点

1.2.2凹凸棒石粘土结构

1.2.3凹凸棒石粘土的应用

1.3腐殖酸类物质简介

1.3.1腐殖酸的存在和结构

1.3.2腐殖酸的性质

1.4本课题的来源、目的、意义及主要研究内容

1.4.1凹凸棒石对放射性核素及重金属离子吸附性能研究中存在的问题

1.4.2本论文的研究内容、方案及目标

参考文献1

第二章固-液界面吸附的基本概念和理论

2.1固-液界面吸附的基本概念

2.2影响固-液相吸附的因素

2.2.1吸附剂表面性质

2.2.2吸附质的性质

2.2.3 pH直

2.2.4离子强度

2.2.5温度

2.3固-液界面间的反应

2.4吸附热力学研究

2.5吸附动力学研究

2.6吸附常用吸附模型

2.6.1分配系数(Kd)模型

2.6.2吸附等温模型

2.6.3离子交换模型

2.7表面络合模型

2.7.1表面络合模型的特点

2.7.2表面双电层结构

2.7.3表面配位反应模式

2.7.4 FITEQL软件简介

参考文献2

第三章实验部分

3.1实验材料

3.1.1实验原料和试剂

3.1.2实验仪器与设备表

3.2吸附剂(凹凸棒石粘土)的提纯及活化

3.2.1天然凹凸棒石粘土的纯化

3.2.2高温活化凹凸棒石粘土制备

3.2.3 Na-基凹凸棒石粘土制备

3.2.4柠檬酸铵改性凹凸棒石粘土(ACT-attapulgite)制备

3.3凹凸棒石粘土的表征

3.4凹凸棒石粘土表面电位滴定

3.4.1凹凸棒石粘土滴定过程

3.4.2滴定数据计算

3.5放射性核素及重金属离子的吸附实验

3.5.1吸附实验过程

3.5.2吸附结果计算

3.6标准曲线绘制

3.6.1镍离子Ni(Ⅱ)的分析

3.6.2铅离子Pb(Ⅱ)的分析［12-14］

3.6.3铕离子Eu(Ⅲ)的分析[12]

3.6.4钍离子Th(Ⅳ)的分析

3.7金属离子在凹凸棒石粘土上的吸附形态研究

参考文献3

第四章凹凸棒石粘土的表征

4.1引言

4.2凹凸棒石粘土的表征

4.2.1 XPS分析

4.2.2 XRD分析

4.2.3 FIT-IR分析

4.3凹凸棒石枯土表面酸碱性质

4.3.1凹凸棒石粘土酸碱滴定曲线

4.3.2反应质子总浓度(TOTH)和表面反应位总浓度(Hs)：

4.3.3表面络合模型拟合结果

4.4本章小结

参考文献4

第五章Ni(Ⅱ)在NA-凹凸棒石粘土上吸附研究

5.1引言

5.2结果与讨论

5.2.1钠基凹凸棒石粘土XRD分析

5.2.2接触时间的影响

5.2.3凹凸棒石粘土浓度对Ni(Ⅱ)吸附的影响

5.2.4体系pH值和离子强度对Ni(Ⅱ)在钠基凹凸棒石上的吸附影响

5.2.5温度对吸附的影响

5.2.6吸附-解吸

5.2.7腐殖酸HS(Humic Substance)的影响

5.3小结

参考文献5

第六章Ni(Ⅱ)在柠檬酸铵(ACT)改性凹凸棒石粘土上吸附研究

6.1引言

6.2结果与讨论

6.2.1 FTIR红外光谱分析

6.2.2 XRD分析

6.2.3振荡时间和动力学研究

6.2.4四种不同吸附剂对Ni(Ⅱ)的吸附比较

6.2.5 pH值和干扰离子对吸附影响

6.2.6Ni(Ⅱ)在ACT-凹凸棒石粘土表面上吸附热力学研究

6.2.7 Ni(Ⅱ)在ACT-凹凸棒石粘土表面上吸附-解吸研究

6.3小结

参考文献6

第七章凹凸棒石粘土对Pb(Ⅱ)吸附研究

7.1引言

7.2结果与讨论

7.2.1高温活化凹凸棒石粘土表面酸碱滴定

7.2.2接触时间的影响

7.2.3高温活化凹凸棒石浓度影响

7.2.4 pH值和离子强度的影响

7.2.5表面络合模型

7.2.6 Pb(Ⅱ)在高温活化凹凸棒石粘土上吸附的热力学研究

7.2.7 Pb(Ⅱ)在高温活化凹凸棒石粘土上吸附-解吸等温线

7.3本章小结

参考文献7

第八章Eu(Ⅲ)在NA-凹凸棒石上的吸附研究

8.1前言

8.2结果与讨论

8.2.1 Na-凹凸棒石粘土表面酸碱性质的表征

8.2.2Na-凹凸棒石粘土表面零电荷点(pHpzc)

8.2.3 Na-凹凸棒石粘土浓度对Eu(Ⅲ)的吸附影响

8.2.4 pH值和离子强度对Eu(Ⅲ)在Na-凹凸棒石粘土上吸附影响

8.2.5 Eu(Ⅲ)浓度对吸附影响

8.2.6温度对Eu(Ⅲ)在Na-凹凸棒石上吸附影响

8.2.7腐殖酸HS对Eu(Ⅲ)在Na-凹凸棒石上吸附影响

8.2.8表面络合模型

8.2.9吸附等温线

8.2.10 Eu3d5/2的XPS光谱分析

8.3本章小结

参考文献8

第九章离子强度、温度、pH和腐殖酸对Th(IV)在凹凸棒石吸附的影响

9.1.前言

9.2结果和讨论

9.2.1 XRD分析

9.2.2振荡时间对吸附的影响

9.2.3 pH、离子强度和腐殖酸对吸附影响

9.2.4吸附等温线

9.2.5温度的影响

9.2.6 Th(Ⅳ)在凹凸棒上的解吸

9.2.7 FA/HA加入次序对Th(Ⅳ)在凹凸棒上吸附影响

9.3本章小结

参考文献9

第十章结论和展望

致谢

硕士期间发表的论文