共存砷酸根和腐殖酸对U(Ⅵ)在针铁矿/水界面吸附行为的影响

摘要

重金属离子和放射性核素在天然矿物/水界面的宏观吸附趋势和微观赋存形态是影响其在土壤和水体等环境体系中迁移转化、生物有效性和生态毒性的关键因素。基于此，本论文结合静态批实验技术、理论形态模拟、X射线粉末衍射(powder X-ray diffraction,PXRD)、傅里叶转换红外光谱(Fourier transform infraredspectroscopy,FTIR)和X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)分析，考察了不同水环境化学条件下共存砷酸根和腐殖酸对U(VI)在针铁矿/水界面吸附行为的影响。论文主要研究内容和成果如下：
　　1)体系pH对U(VI)在针铁矿/水界面的吸附行为和微观作用机制具有重要的影响。在酸性条件下，共存的砷酸根和腐殖酸都促进了U(VI)的吸附，形成了配体桥连的B型三元表面络合物。特别地，PXRD分析结果表明砷酸根对U(VI)吸附的促进作用在一定程度上也可能归因于砷铀矿(UO2HAsO4·4H2O)和钠铀云母(Na2(UO2AsO4)2·3H2O)等沉淀相的形成。在碱性条件下，共存的砷酸根和腐殖酸和U(VI)形成了水溶性的UO2(AsO4)n2-3n或UO2(CO3)HA等络合物，进而通过静电排斥作用抑制了U(VI)在针铁矿表面的吸附。
　　2)接触时间也是影响U(VI)吸附行为和形态转化的一个重要因素。在U(VI)(50μM)/砷酸根(133μM)/针铁矿体系中，砷酸根的吸附率会随反应时间的延长而增大，而U(VI)的吸附率则基本保持在~100％不变。理论形态模拟和PXRD分析表明，砷酸根、U(VI)和针铁矿在接触1天后形成了砷铀矿和钠铀云母混合沉淀相，接触时间为3天时形成了亚稳态的UO2(H2AsO4)2·H2O(记为UAs2)相，在接触时间延长到7天后，前期形成的砷铀矿和亚稳态的UAs2相全部转化成了更为稳定的钠铀云母相。
　　3)U(VI)在不同体系中的吸附行为对温度变化有不同的响应度。具体地，温度的升高对U(VI)/砷酸根/针铁矿体系中U(VI)的吸附趋势没有明显影响。基于此，应着重关注其他水环境化学因素(如pH、离子强度、共存污染物浓度和加入次序等)对 U(VI)固定滞留行为的影响。相比之下，温度的升高促进了U(VI)/腐殖酸/针铁矿体系中U(VI)的吸附固定，说明腐殖酸存在条件下U(VI)在针铁矿/水界面的吸附是一个吸热过程。
　　4)U(VI)的吸附滞留行为和微观化学形态与加入次序有着明显的关联性。U(VI)/腐殖酸/针铁矿体系的宏观吸附实验结果表明，pH4.5条件下U(VI)的吸附率高低顺序为：U(VI)和腐殖酸预先平衡>U(VI)、腐殖酸和针铁矿同时加入>腐殖酸和针铁矿预先平衡。预先接触的U(VI)和腐殖酸可以在水溶液中发生络合作用，形成的络合物很容易被吸附到带正电荷的针铁矿表面。相比之下，腐殖酸的预先接触会引起针铁矿的聚集，在一定程度导致其比表面积的下降，从而降低了后续U(VI)的吸附率。FTIR和XPS分析显示不同的接触次序下U(VI)和腐殖酸在针铁矿/水界面形成了不同比例的二元或三元络合物。
　　整体来说，本论文深入地揭示了不同水环境参数对U(VI)在针铁矿/水界面上吸附行为的影响规律，准确地阐明了砷酸根和腐殖酸存在条件下U(VI)的微观形态和固定滞留机理。上述研究成果能够为准确掌握和预测U(VI)在实际水环境体系中的物理化学行为和生态毒性提供了科学的理论依据，同时也可以为制定有效的放射性污染水体的修复策略提供必要的数据参考。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 铀污染的来源及危害

1.2 铀在环境中的赋存形态

1.3 U(VI)在环境中迁移的影响因素

1.4 U(VI)与环境介质的相互作用机制

1.5本论文的研究意义和内容

参考文献

第二章 砷酸根对U(VI)在针铁矿/水界面吸附行为的影响

2.1引言

2.2实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第三章 腐殖酸对U(VI)在针铁矿/水界面吸附行为的影响

3.1 引言

3.2 材料和方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第四章 全文总结和展望

4.1 全文总结

4.2 论文创新点

4.3 存在的问题及展望

在读期间本人已发表的论文

致谢