功能化纤维介孔硅对铀(Ⅵ)和钍(IV)的吸附性能研究

摘要

铀和钍是重要的核燃料，也是潜在的放射性毒物，铀和钍的吸附和分离对核能可持续发展、人体健康以及环境保护具有十分重要的意义。吸附法因其具有富集因子高、减容比大以及不会乳化等优点，在放射性核素的分离领域越来越受到重视。有序介孔硅作为优良的吸附剂，其孔径在2-50nm之间，具有比表面积高、孔道结构可调、以及良好的热稳定性等诸多优点，广泛应用在重金属的吸附方面。但是由于材料表面内部的官能团种类少，并且孔道结构小，导致介孔材料吸附不足。本文制备了纤维介孔硅材料(F-SiO2)，通过后嫁接法合成氨基(APS-F-SiO2)、羧基(COOH-F-SiO2)、胺肟(AD-F-SiO2)、磷酸(DPTS-F-SiO2)等功能化纤维介孔硅材料，扩大介孔材料的孔道结构，提高了吸附容量。采用SEM、FT-IR、N2吸附-脱附曲线、热重分析等方法表征了功能化纤维介孔硅材料的物理化学性质。考察了纤维介孔硅材料表面功能化的种类、溶液的pH值、接触时间、铀和钍的初始浓度、竞争离子等对功能化纤维介孔硅材料吸附U(Ⅵ)和Th(Ⅳ)的影响；探讨了吸附动力学、等温线；并研究了对U(Ⅵ)选择吸附性能，主要结果如下：　　(1)通过CTAB为模版剂，在环己烷和异丙醇作为溶剂条件下合成了F-SiO2。氮气吸附-脱附分析比表面积大约高达657m2·g-1，孔径10-15nm。扫描电镜显示材料为纤维球体。TGA热重显示材料拥有良好的热稳定性。当pH=3.00.05，msorbent/Vsolution=0.4mg·mL-1，[Th]initial=100mg·L-1，吸附容量达到38.7mg·g-1。F-SiO2吸附Th(IV)的行为符合准二级动力学模型和Langmuir等温模型，即吸附主要是受化学作用控制，以单分子层吸附为主。当Zn2+、Co2+、Gd3+、Ni2+、Yb3+、Sr2+、La3+、Sm3+、和Nd3+等离子存在时，F-SiO2对Th(Ⅳ)吸附的选择性显著增强。　　(2)通过嫁接方法合成了COOH-F-SiO2。氮气吸附-脱附分析比表面积大约为416m2·g-1，孔径大约11nm。SEM显示该材料为纤维球体结构，功能化前后材料的形貌没有明显变化。热重测定结果显示，该材料拥有良好的热稳定性。当pH=3.00.05，msorbent/Vsolution=0.4mg·mL-1，[Th]initial=100mg·L-1，吸附容量达到68.4mg·g-1。COOH-F-SiO2吸附Th(Ⅳ)符合Langmuir(R2>0.9921)模型，Th(Ⅳ)以单分子层吸附为主。此外，该材料具有选择性吸附Th(Ⅳ)的能力，在混合金属离子体系中，不受其他金属离子的干扰，依然保持对Th(IV)较高的吸附。　　(3)通过嫁接方法合成了APS-F-SiO2。氮气吸附-脱附分析比表面积高达346m2/g，孔径10nm。扫描电镜显示材料为纤维球体结构。热重显示材料拥有良好的热稳定性。当pH=5.00.05，msorbent/Vsolution=0.4mg·mL-1，[U]initial=100mg·L-1，吸附容量达到162.6mg·g-1。APS-F-SiO2吸附U(Ⅵ)行为符合准二级动力学模型和Langmuir等温式，即吸附主要是受化学作用控制，以单分子层吸附为主，当Zn2+、Co2+、Gd3+、Ni2+、Yb3+、Sr2+、La3+、Sm3+、和Nd3+等离子存在时，APS-F-SiO2对U(Ⅵ)吸附的选择性显著增强。　　(4)通过嫁接方法合成了AD-F-SiO2、DPTS-F-SiO2。氮气吸附-脱附分析AD-F-SiO2比表面积大约高达358m2·g-1，孔径约11nm；DPTS-F-SiO2比表面积大约高达442m2·g-1，孔径约12nm；扫描电镜显示功能化前后材料形貌没有发生明显变化，当pH=5.00.05，msorbent/Vsolution=0.4mg·mL-1，[U]initial=100mg·L-1，AD-F-SiO2吸附容量达到107.8mg·g-1；DPTS-F-SiO2吸附容量达到87.3mg·g-1。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 核能与铀钍废物的来源及危害

1.2 铀钍分离和回收方法概述

1.3 介孔硅材料及其对放射性核素的吸附分离的研究进展

1.4 论文研究目的以及意义

第二章 纤维介孔硅及羧基功能化纤维介孔硅材料的合成、表征和吸附Th(IV)离子性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 吸附性能研究

2.5 小结

第三章 氨基功能化纤维介孔硅材料的合成、表征和吸附U(VI)离子性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 吸附性能研究

3.5 小结

第四章 胺肟、磷酸功能化纤维介孔硅材料的合成、表征和吸附U(VI)性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 吸附性能研究

4.5 小结

第五章 结论与展望

结论

展望

附录：硕士期间发表论文

致谢

参考文献