生物炭材料在放射性核素吸附应用中的研究

摘要

随着民用核工业的发展，“核污染”日益成为人们关注的焦点。开展吸附界面研究有助于人们深入了解放射性核素在在环境中的迁移规律，从而对它们进行有效地处理和管控。生物炭是一类新型的碳材料，具有来源广泛、成本低廉、吸附容量大等优点，近年来在环境去污方面展示出巨大的潜力。然而，它在环境放射化学中的应用研究仍相当有限。
　　本论文采用静态实验法，研究了常见放射性核素(U-238、Ni-63和Cu-64)在生物炭材料（生物炭@蒙脱石和碳纳米纤维）上吸附行为，通过表面配位模型研究了表面反应的机理，通过先进光谱技术研究了表面物种的结构。
　　本论文的主要结论如下:
　　1.U(Ⅵ)在生物炭@蒙脱石上的吸附。
　　用葡糖糖和蒙脱石为原料制备了生物炭@蒙脱石，考察了接触时间、离子强度、pH、初始浓度和温度对U(Ⅵ)吸附的影响。研究发现，吸附反应为吸热反应，其动力学过程可用假二级动力学方程描述。pH对吸附有显著影响，当pH＜6时，吸附随pH升高而增大;当pH＞6时，吸附随pH升高而降低。吸附等温线符合Langmuir方程，室温下的饱和吸附容量为66.22 mg·g-1。U(Ⅵ)在生物炭@蒙脱石表面形成的是内层配合物，离子强度对吸附边界和吸附等温线没有影响。XPS光谱表明，Si-O-UO2+、Al-O-UO2+和CO-O-UO2+是主要的表面物种。此外，生物炭@蒙脱石在U(Ⅵ)的吸附应用中还具有良好的循环稳定性。
　　2.U(Ⅵ)在碳纳米纤维上的吸附。
　　用Te纳米线为模板、葡萄糖为碳源，通过“一步法”制备了碳纳米纤维(CNFs)。CNFs很好地继承了模板的一维形貌和三维网状结构，其表面有大量的含氧官能团，能够有效地络合水溶液中的U(Ⅵ)。DLM模型研究表明，U(Ⅵ)在CNFs表面上形成的是内层配合物，在低pH条件下主要为≡SOUO2+和≡XOUO2+，在较高pH下为≡XOUO2OH，在更高pH下为≡SOUO2OH，≡SOUO2(OH)2-以及≡SOUO2(OH)32-。XPS光谱表明，在近中性条件下，电中性配合物(≡XOUO2OH，≡SOUO2OH)和阳离子配合物(≡SOUO2+，≡XOUO2+)为主要的物种;XANES和EXAFS光谱表明，吸附的U以+6价化合物形式存在，在pH为4.5时主要为内层配合物形式，在近中性pH条件下会形成一定的表面沉淀。研究还发现，CNFs能够加速U(Ⅵ)从蒙脱石上解吸，在使用中具有一定的循环稳定性。
　　XPS光谱表明，在近中性条件下，电中性配合物(≡XOUO2OH，≡SOUO2OH)和阳离子配合物(≡SOUO2+，≡XOUO2+)为主要的物种;XANES和EXAFS光谱表明，吸附的U以+6价化合物形式存在，在pH为4.5时主要为内层配合物形式，在近中性pH条件下会形成一定的表面沉淀。研究还发现，CNFs能够加速U(Ⅵ)从蒙脱石上解吸，在使用中具有一定的循环稳定性。
　　3.Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)在碳纳米纤维上的吸附。
　　CNFs对Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)都有很好的吸附能力，吸附等温线可用Langmuir方程定量描述。当二者共存时，它们会发生竞争吸附反应，Cu(Ⅱ)的竞争能力比Ni(Ⅱ)强。CCM模型研究显示，Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)在CNFs表面上形成的是内层配合物，在低pH条件下主要为≡SOM+(可由FT-IR和XPS光谱佐证)，在较高pH下为≡SOMOH，在更高pH下Cu会形成≡ SOCu3(OH)4+形式的表面配合物。EXAFS光谱表明，在近中性pH条件下，Ni(Ⅱ)在CNFs表面形成的是内层配合物，而在高pH条件下主要形成的是表面沉淀。
　　通过上述三个实验，我们制备了新型生物炭材料，探索了放射性核素与其相互作用的规律，研究了表面配合物的微观结构，掌握了环境条件对吸附的影响。本论文是生物炭材料在环境放射化学领域中应用的初步尝试，也是对表面配位模型的拓展，这些结果对相关研究具有重要的参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1．1 放射性废物来源与危害

1．1．2 放射性废物的处理与处置

1．1．3 放射性核素的迁移

1．1．4 放射性废物的现在和将来

1．2 放射性废水处理中吸附剂材料的研究现状

1．2．1 天然材料

1．2．2 复合材料

1．2．3 新型纳米材料

1．3 放射性核素在固液界面的吸附原理简介

1．3．1 吸附的基本理论

1．3．2 影响放射性核素吸附的主要因素

1．3．3 吸附热力学

1．3．4 吸附动力学

1．4 放射性核素在固液界面吸附的模型研究现状

1．4．1 表面配位模型

1．4．2 离子交换模型

1．5 放射性核素在固液界面吸附的研究技术

1．5．1 X射线吸收光谱

1．5．2 时间分辨激光荧光光谱

1．5．3 其它光谱技术

1．5．4 计算机模拟技术

1．6 本论文选题以及主要内容

1．6．1 选题依据及意义

1．6．2 主要研究内容

参考文献

第2章 U(VI)在生物炭@蒙脱石上的吸附

2．1 引言

2．1 实验部分

2．2．1 试剂和仪器

2．2．2 实验方案

2．2．3 表征方法

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 生物炭@蒙脱石的表征

2．3．2 吸附动力学

2．3．3 吸附边界

2．3．4 吸附等温线

2．3．5 温度效应

2．3．7 吸附机理探究

2．4 本章小结

参考文献

第3章 U(Ⅵ)在碳纳米纤维上的吸附

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂和仪器

3．2．2 实验方案

3．2．3 表征方法

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 CNFs的表征

3．3．2 吸附边界

3．3．3 吸附等温线

3．3．4 吸附和解吸

3．3．5 表面配合物的表征

3．3．6 循环稳定性

3．3．7 应用模拟

3．3 本章小结

参考文献

第4章 Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)在碳纳米纤维上的吸附

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂和仪器

4．2．2 实验方案

4．2．3 表征方法

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 CNFs的表征

4．3．2 吸附边界

4．3．3 吸附等温线

4．3．4 吸附和解吸

4．3．5 表面配合物的表征

4．4 本章小结

参考文献

第5章 全文总结与展望

5．1 全文工作总结

5．2 论文创新点

5．3 有待深入研究的问题

致谢

在读期间发表的学术论文