低溫等離子體改性納米材料及其對(duì)含鈾廢水吸附性能研究.pdf

1、鈾(Ⅵ)不僅是核能工業(yè)發(fā)展所必須的核燃料，更是廢水中放射性污染的主要來(lái)源之一。因而，不管是從核能可持續(xù)發(fā)展角度、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及人類健康方面出發(fā)，在放射性U(Ⅵ)被排放到環(huán)境之前對(duì)其進(jìn)行去除是非常重要的。吸附法因具有低成本、高效、易于操作以及適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，成為核素離子分離和富集的最有效方法。新型高效吸附劑的開(kāi)發(fā)和利用關(guān)系到吸附法在實(shí)際應(yīng)用中成功與否。改性氨基化材料已成為近年來(lái)對(duì)溶液中的U(Ⅵ)進(jìn)行分離富集的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)濕化學(xué)方法相

2、比，低溫等離子體法可以直接將目標(biāo)官能團(tuán)修飾在材料表面而不會(huì)破壞材料本身結(jié)構(gòu)，幾乎所有的固體材料都可以通過(guò)等離子體處理來(lái)修飾，其具有高效、方便、環(huán)境友好、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。本論文通過(guò)低溫等離子體法將氨基官能團(tuán)改性到常見(jiàn)納米材料表面，得到如下幾種改性的復(fù)合材料，并通過(guò)一步合成法，室溫下成功制備了一種新型2D MOFs納米片。通過(guò)批量靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，研究了等離子體改性材料以及2D MOFs納米片對(duì)廢水中U(Ⅵ)的去除性能，同時(shí)，利用微觀分析技術(shù)深入

3、探究了U(Ⅵ)在所得復(fù)合材料上的吸附機(jī)理:
　　(1)低溫等離子體法改性碳材料
　　以廉價(jià)碳材料(石墨(FG)以及碳納米管(MWCNTs))為基底物質(zhì)，磷酸乙醇胺(O-PEA)為氨基(-NH2)官能團(tuán)來(lái)源，通過(guò)低溫等離子體方法對(duì)其表面進(jìn)行官能團(tuán)修飾，考察等離子體處理時(shí)間以及水溶液環(huán)境如pH值、離子強(qiáng)度、溫度、時(shí)間等對(duì)所合成材料吸U(Ⅵ)性能的影響。結(jié)果表明，改性后的樣品對(duì)U(Ⅵ)的吸附性能大大提高，并且，隨著等離子體處理時(shí)間

4、的增加，樣品對(duì)U(Ⅵ)的吸附性能也隨之提高。此外，U(Ⅵ)在改性碳材料上的吸附受溶液pH值影響顯著，與離子強(qiáng)度關(guān)系不大。根據(jù)線性相關(guān)系數(shù)R2值，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和Langmuir吸附等溫線模型對(duì)U(Ⅵ)在兩種改性碳材料上的吸附擬合結(jié)果較好。根據(jù)Langmuir模型擬合結(jié)果，U(Ⅵ)在改性FG和MWCNTs上的最大吸附容量(Qmax)分別為140.68mg·g-1和80.4mg·g-1。與同類型碳材料相比，改性碳材料對(duì)U(Ⅵ)的吸附容量相

5、對(duì)處于優(yōu)勢(shì)位置。此外，U(Ⅵ)在改性FG上的吸附為吸熱反應(yīng)，而在改性MWCNTs上的吸附為放熱反應(yīng)。改性碳材料對(duì)U(Ⅵ)快速高效的吸附性能表明低溫等離子體在改性納米材料并有效用于U(Ⅵ)的吸附處理方面有著很好的應(yīng)用前景。
　　(2)低溫等離子體法改性Fe3O4納米粒子
　　雖然改性后的兩種碳材料，其對(duì)U(Ⅵ)的吸附性能得到明顯提升，然而需要通過(guò)離心分離方法將其水體中分離出來(lái)，操作復(fù)雜。為此，我們通過(guò)溶劑熱法合成了磁性Fe3O

6、4納米顆粒，并以此為基底材料，同樣以O(shè)-PEA為-NH2官能團(tuán)來(lái)源，考察低溫等離子體處理時(shí)間，對(duì)反應(yīng)物結(jié)構(gòu)、行貌以及U(Ⅵ)吸附性能的影響。此外，我們還考察了水溶液環(huán)境對(duì)所合成材料去除U（Ⅵ)的影響因素。結(jié)果表明，延長(zhǎng)等離子體處理的時(shí)間，樣品團(tuán)聚越明顯，且樣品對(duì)U(Ⅵ)的吸附性能也隨之提高。此外，U(Ⅵ)在改性碳材料上的吸附受溶液pH值影響顯著，與離子強(qiáng)度關(guān)系不大。同樣地，U(Ⅵ)在改性Fe3O4材料上的吸附也符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和La

7、ngmuir等溫線模型。在pH=6.0±0.1和T=333K時(shí)，改性樣品對(duì)U(Ⅵ)的最大吸附量為228.17mg·g-1，這比其他磁性材料吸附U(Ⅵ)的最大值要高，再次表明等離子體方法在改性材料以及提高材料吸附性能方面具有巨大的應(yīng)用潛能。此外，根據(jù)XPS分析，在吸附過(guò)程中U(Ⅵ)可以與Fe3O4表面的-OH、-NH2和磷酸官能團(tuán)的發(fā)生表面絡(luò)合反應(yīng)，此即為U(Ⅵ)在改性Fe3O4表面的去除機(jī)理。由于綠色環(huán)保的改性方法，快速高效的吸附性能，

8、以及簡(jiǎn)單快捷的磁分離方法，使得改性Fe3O4納米粒子在實(shí)際水體中吸附處理U（Ⅵ)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　(3)一步法合成2D MOFs納米片
　　雖然改性后的碳材料以及磁性Fe3O4對(duì)U(Ⅵ)的吸附性能都有顯著提升，然而其吸附容量與同類吸附材料相比，仍處于中間位置。因此探索新的材料，并有效用于水體中U（Ⅵ)的吸附處理，從處理材料的角度進(jìn)行探索研究是可能的一種新方法。因此，本論文還通過(guò)一步合成法，在室溫下成功制備了一種新

9、型2D MOFs納米片。而且，用此種合成方法可以實(shí)現(xiàn)2D MOFs納米片的宏量合成。研究了甲醇/水(MeOH/H2O)的溶劑組成條件對(duì)反應(yīng)物結(jié)構(gòu)、行貌以及U(Ⅵ)吸附性能的影響。結(jié)果表明，隨著MeOH/H2O體積比降低，產(chǎn)物尺寸逐漸增加。此外，所得2D MOFs材料對(duì)U(Ⅵ)顯示了優(yōu)異的吸附性能。吸附等溫線符合Langmuir吸附模型，并且在pH=6.0±0.1和T=293K時(shí)，樣品對(duì)U(Ⅵ)的最大吸附量可達(dá)591.79mg·g-1。這