磷酸镁水泥基多孔材料制备及其对铯、锶离子吸附性能研究

摘要

随着核能的不断发展和应用，产生的放射性废水也越来越多，由于该废水对环境和生物的危害极大，近年以来，放射性废水的处理受到了很多领域专家学者的关注和研究。
　　放射性废水的处理主要有化学沉淀法、蒸发浓缩法、膜分离法、离子交换法和吸附法等。其中，吸附法以其操作简单、成本低廉、吸附效率高和固体废弃物易于固化处理等优点成为研究热点。目前常见的吸附材料主要有沸石类矿物材料、活性炭类材料、化学合成的磷钼酸盐类和亚铁氰化物材料以及壳聚糖类的高分子材料，但这些材料大多存在稳定性差、制备工艺复杂和固体废弃物不易固化等缺陷，并且多数为粉体，容易团聚、脱水困难以及不能用于吸附床连续处理放射性废水。基于此，本文以磷酸镁水泥为基体，采用不同发泡工艺制备了气孔连通、孔径均匀、强度较高的磷酸镁水泥基多孔材料(MPCPM)，系统研究了发泡剂种类、泡沫掺量、引气剂掺量和水固比等因素对MPCPM气孔结构、孔径分布和力学性能的影响。并以含Cs+、Sr2+的模拟放射性废水为研究对象，探讨了MPCPM对Cs+、Sr2+的吸附性能，并通过动力学模型和热力学模型拟合分析了吸附机理；为进一步提高吸附性能，采用斜发沸石进行改性，并探讨了改性后的多孔材料(MPCPM-Z)对Cs+、Sr2+的吸附性能。
　　研究结果表明，在物理发泡工艺下制备的MPCPM平均孔径为200～400μm、孔隙率为55％～75%、干密度为1000～600kg/m3、抗压强度为10～1MPa；其中，采用动物蛋白发泡剂(FA)制备的MPCPM强度最高、气孔形貌最完整，但所有样品均为封闭气孔结构；而由自制发泡剂(FB、FC)所制备的样品均为连通气孔结构，具有透水性能。在以金属锌粉为引气剂的化学发泡工艺下，制备的MPCPM孔隙率为55%～65%、干密度为1000～780kg/m3、抗压强度是几种工艺下最高为14～6MPa、平均孔径也是几种工艺中最大为500～900μm但所有样品均为封闭气孔结构。在物理化学联合发泡工艺下，以自制发泡剂FC、引气剂Zn粉制备的MPCPM孔隙率为55%～74%、干密度为800～600kg/m3、平均孔径为150～280μm、抗压强度为4.5～2MPa，所有样品都是连通气孔结构，并且可通过相关参数调控孔径大小。
　　通过吸附实验研究，筛选对Cs+、Sr2+吸附性能最佳的MPCPM的平均孔径为160μm、孔隙率为69%、干密度为700kg/m3、抗压强度为3MPa，其制备工艺为物理化学联合发泡，其制备参数为M/P为1、发泡剂、引气剂掺量分别为1.5%、1.0%，水固比为0.16。
　　当MPCPM用量为0.1g/100mL时，对Cs+、Sr2+吸附达到平衡均需要96h，最大饱和吸附容量分别为18.5mg/g、402mg/g，去除率最大分别为32%、96%，吸附过程的动力学模型拟合均符合准二级动力学模型，热力学模型拟合分别符合Freundlich模型、Langmuir模型；表明MPCPM对Cs+的吸附过程是表面不均匀的多层化学吸附且是优惠吸附，对Sr2+的吸附过程是表面均匀的单层化学吸附。此外，酸性环境和K+、Na+的存在都会严重影响Cs+、Sr2+的吸附性能。针对Cs+吸附性能不好的问题，对MPCPM进行了沸石改性，改性后的多孔材料MPCPM-Z对Cs+吸附性能有显著提升，在相同条件下，MPCPM-Z对Cs+的饱和吸附容量达到28mg/g、去除率达到75%，其吸附动力学与吸附热力学模型与改性之前相同。而MPCPM-Z对Sr2+的吸附效率却有一定的降低，相同条件下去除率只有92%，并且吸附热力学模型符合Freundlich模型，也即改性后MPCPM-Z对Sr2+的吸附过程变成表面非均匀的多层化学吸附。改性后MPCPM-Z仍然对酸性环境和K+、Na+、Ca2+、Mg2+的存在很敏感，在这些环境下，其吸附效率将会大幅降低。
　　综上所述，通过物理化学联合发泡工艺制备的磷酸镁水泥基多孔材料对Cs+、Sr2+均具有较强的吸附作用，尤其是对Sr2+，去除率可高达96%以上；同时通过改性，Cs+去除率也可达75%以上。因此，该技术在放射性废水处理领域具有较为广阔的应用前景。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 放射性废水的处理方法

1.3 磷酸镁水泥基多孔材料研究现状

1.4 课题研究思路及内容

2 实验原料、设备及方法

2.1 实验原料及仪器设备

2.2 实验方法

3 磷酸镁水泥基多孔材料的制备及表征

3.1 物理发泡制备 MPCPM

3.2 化学发泡制备 MPCPM

3.3 物理化学联合发泡制备 MPCPM

3.4 本章小结

4 MPCPM对铯离子吸附性能研究

4.1 实验部分

4.2 结果与讨论

4.3 改性 MPCPM 对 Cs+吸附性能的影响

4.4 MPCPM 吸附 Cs+后微观结构分析

4.5 本章小结

5 MPCPM对锶离子吸附性能研究

5.1 实验部分

5.2 结果与讨论

5.3 改性后 MPCPM 对 Sr2+吸附性能的影响

5.4 MPCPM 吸附 Sr2+后微观结构分析

5.5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果