锆基膦酸盐有机杂化材料对铀(VI)的吸附性能研究

摘要

为应对化石燃料引起的温室效应和气候变化，以及人们日益增长的能源需求，开发高效清洁的核能成为首选之策。目前，铀是核能开发利用中最主要原料。然而，铀在开采与利用过程中产生的含铀废水使环境受到不同程度的污染。如何处理这些含铀废水并回收其中的铀资源成为当前的研究热点。　　目前，吸附法在含铀废水去除领域备受关注。膦酸盐类有机杂化吸附剂具有制备工艺简单、合成条件较温和、表面官能团丰富及环境友好等优点。因此，将锆基膦酸盐有机杂化材料用于去除和回收废水中的铀具有重要的理论和现实意义。　　本文使用ZrOCl2·8H2O为无机锆源，分别以氨基三亚甲基叉膦酸(ATMPA)、2-膦酸基丁烷-1, 2, 4-三羧酸(PBTCA)、羟基亚乙基二膦酸 (HEDP)为有机膦源，通过水热法合成了一系列的膦酸锆材料(Zr-ATMPA、Zr-PBTCA和Zr-HEDP)，并以吸附量为指标，优化了制备工艺。采用扫描电子显微镜及能谱仪(SEM&EDS)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、Zeta电位分析仪等表征了上述锆基膦酸盐有机杂化材料。以上表征表明成功制备了三种锆基膦酸盐有机杂化材料吸附剂。同时，研究了膦锆比、制备温度和制备时间对吸附的影响，确定了最佳的制备工艺条件。　　通过批式静态吸附实验确定了溶液pH、温度、接触时间、铀初始浓度、离子强度对吸附的影响。研究结果表明，Zr-ATMPA、Zr-PBTCA和Zr-HEDP 三种膦酸锆吸附铀的最佳pH值均为5.0，吸附基本不受离子强度的影响，吸附平衡时间分别为120 min、90 min和90 min，对铀(VI)的吸附量均随温度升高而增大。在以上研究基础上，采用准一级和准二级吸附动力学模型及颗粒扩散模型研究了 Zr-ATMPA、Zr-PBTCA和Zr-HEDP三种膦酸锆吸附铀的动力学，研究结果表明三种材料对铀(VI)的吸附符合准二级动力学模型，吸附主要受化学作用控制；对 U(VI)吸附可为三阶段进行：外表面快速吸附，离子由外表层进入内表面后，吸附速率减慢，最终达到平衡。采用 Langmuir、Freundlich和D-R 等吸附等温模型研究了 Zr-ATMPA、Zr-PBTCA和Zr-HEDP三种膦酸锆吸附剂对铀(VI)的吸附机理。研究结果表明，三种吸附剂对铀的吸附均符合Langmuir吸附等温模型，均为单层吸附，且Zr-ATMPA的单层饱和吸附容量达到 238.10 mg/g，Zr-PBTCA 膦酸锆单层饱和吸附容量为203.25 mg/g，Zr-HEDP的单层饱和吸附容量为198.41 mg/g。吸附热力学研究表明且温度升高有利于吸附的进行，从三种磷酸锆材料的吸附热力学参数ΔH>0、ΔG<0和ΔS>0，可知，Zr-ATMPA、Zr-PBTCA和Zr-HEDP对铀的吸附均为自发吸热的化学过程。三种吸附剂的重复使用性研究表明， 1mol/L HCl 溶液可高效洗脱吸附于Zr-ATMPA、Zr-PBTCA和Zr-HEDP上的铀(VI)，经过5次重复实验后，三种材料对铀的吸附容量仍达到90%以上。　　以上研究表明，锆基膦酸盐杂化材料可有效的去除水溶液中的铀(VI)，有望成为去除和回收低放废水中的铀，从而减轻铀对环境和人类的危害。

目录

声明

第一章 前言

1.1 研究背景

1.2 吸附材料

1.3 金属膦酸盐材料

1.4 研究目的与意义

1.5 研究内容

第二章 氨基三亚甲基膦酸锆有机杂化材料对铀(VI)的吸附性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4小结

第三章 丁烷-1,2,4-三羧酸-2-膦酸锆有机杂化材料对铀(VI)的吸附性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4解吸和再生

3.5小结

第四章 羟基亚乙基二膦酸锆有机杂化材料对铀(VI)的吸附性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4解吸和再生

4.4小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献