納米材料對水體中放射性核素的去除及機(jī)理研究.pdf

1、隨著煤炭、石油及天然氣等非再生資源的開采利用，能源危機(jī)已經(jīng)成為人類面對的迫切問題，因此新型能源的開發(fā)和利用已經(jīng)變得越來越重要。核能源以其高效的能源轉(zhuǎn)化和較低的環(huán)境排放污染而被世界各國利用。天然核科學(xué)和核能的迅猛發(fā)展，核電站發(fā)展運(yùn)營也變得越來越多，但隨之也產(chǎn)生了大量的核廢料。在核能源的循環(huán)利用過程中（例如首先是鈾的萃取，鈾被用于核燃料，核燃料在核電站的應(yīng)用，最后是乏燃料的地下處置等等）不可避免產(chǎn)生了多種多樣較長壽命的放射性核素，尤其是一些

2、重要的裂變產(chǎn)物如鑭系和錒系元素，因此在含有核廢料的廢水排放到自然水體之前必須去除里面的放射性核素。吸附技術(shù)由于簡單易操作、經(jīng)濟(jì)性、易于大規(guī)模應(yīng)用等優(yōu)勢被廣泛用于實(shí)際水環(huán)境污染物的去除。過去的幾十年，納米吸附劑由于具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)如較大的表面積、穩(wěn)定性的化學(xué)性能和高效的吸附性，在環(huán)境污染治理領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛能。本文采用批試驗(yàn)、光譜分析和理論計(jì)算相結(jié)合的方法系統(tǒng)研究了三種常見的納米吸附劑:碳納米管(CNTs)、氧化石墨烯(GOs)和

3、氧化鋁（γ-Al2O3）對放射性核素的去除，主要研究結(jié)果如下:
　　(1)研究了Eu(Ⅲ)和243Am(Ⅲ)在CNTs上的吸附行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Eu(Ⅲ)和243Am(Ⅲ)都和CNTs形成了強(qiáng)的內(nèi)層表面絡(luò)合物。但是Eu(Ⅲ)的吸附能力明顯強(qiáng)于243Am(Ⅲ)的吸附能力，表明Eu(Ⅲ)和243Am(Ⅲ)與CNTs的作用機(jī)理和性質(zhì)是不同的，這與它們在粘土礦物和氧化物上的作用結(jié)果不同。基于密度泛函理論分析發(fā)現(xiàn)，Eu(Ⅲ)和CNTs的結(jié)合能明

4、顯高于243Am(Ⅲ)與CNTs的結(jié)合能，表明與243Am(Ⅲ)相比，Eu(Ⅲ)和CNTs的含氧官能團(tuán)形成了更強(qiáng)的絡(luò)合物，這與Eu(Ⅲ)和CNTs的吸附量較高的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。含氧官能團(tuán)利于Eu(Ⅲ)和243Am(Ⅲ)的去除，不同官能團(tuán)的結(jié)合能力為≡S-OH＜≡S-COOH＜≡S-COO-。該研究明確了Eu(Ⅲ)和243Am(Ⅲ)與CNTs上不同含氧官能團(tuán)之間的作用。為拓寬CNTs在濃縮、去除和分離三價(jià)鑭系和錒系環(huán)境污染物領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)揮

5、重要作用。
　　(2)研究了不同條件下GOs對U(Ⅵ)的去除，結(jié)果表明U(Ⅵ)的去除受pH影響而不受離子強(qiáng)度影響。在pH=4.5和溫度20℃條件下，U(Ⅵ)在GOs上的最大吸附量為1330 mg/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前報(bào)道的其它材料。通過DFT理論計(jì)算驗(yàn)證GOs與U(Ⅵ)之間的作用機(jī)理，結(jié)果表明pH值的變化將會明顯改變GOs表面含氧官能團(tuán)的環(huán)境，較低pH值時(shí)GOs與U(Ⅵ)之間的作用是較弱的物理吸附/外層表面絡(luò)合，隨著pH值的增加，較高

6、pH值時(shí)由于表面官能團(tuán)的去質(zhì)子化反應(yīng)使得-O-或-COO-基團(tuán)帶負(fù)電荷形成強(qiáng)的化學(xué)吸附/內(nèi)層表面絡(luò)合。
　　(3)為了理解Eu(Ⅲ)在氧化物-有機(jī)物系統(tǒng)的吸附性質(zhì)，通過批試驗(yàn)和時(shí)間分辨熒光光譜（TRLFS）研究了腐殖酸(HA)對Eu(Ⅲ)在γ-Al2O3上吸附行為的影響。研究了不同實(shí)驗(yàn)條件下pH值和Eu(Ⅲ)/HA/Al2O3的添加次序?qū)u(Ⅲ)去除效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Eu(Ⅲ)的去除強(qiáng)烈依賴于pH和離子強(qiáng)度。較低pH值時(shí)E

7、u(Ⅲ)的吸附機(jī)理主要是離子交換和外層表面絡(luò)合，較高pH值時(shí)的去除機(jī)理是內(nèi)層表面絡(luò)合。較低pH值時(shí)HA的存在促進(jìn)Eu(Ⅲ)吸附，而高pH值時(shí)降低了Eu(Ⅲ)吸附。Eu(Ⅲ)/HA添加到Al2O3的次序?qū)u(Ⅲ)的去除沒有影響，該結(jié)果通過TRLFS測定驗(yàn)證。通過發(fā)射光譜(5D0→7F1(λ=594 nm)與5D0→7F2(λ=619 nm)的發(fā)射強(qiáng)度比）和熒光壽命來驗(yàn)證表面絡(luò)合物，TRLFS結(jié)果清晰證明吸附平衡后添加次序?qū)u(Ⅲ)在H

8、A-Al2O3上的吸附物種沒有影響。腐殖酸物質(zhì)對Eu(Ⅲ)絡(luò)合性質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)表明弄清腐殖酸物種的環(huán)境行為對于理解Eu(Ⅲ)及其它三價(jià)鑭系和錒系離子在自然界中的物理化學(xué)性質(zhì)是必要的。
　　(4)研究了243Am(Ⅲ)在HA-Al2O3上吸附，并使用螯合樹脂進(jìn)行了動力學(xué)解吸性能研究。243Am(Ⅲ)在HA-Al2O3上的動力學(xué)解吸實(shí)驗(yàn)是在三個(gè)不同的pH值（4.0、5.0和6.0）通過添加螯合樹脂分別反應(yīng)2小時(shí)、4天和1個(gè)月來將243A

9、m(Ⅲ)從HA-Al2O3上解吸下來。243Am(Ⅲ)在HA-Al2O3上的不可逆結(jié)合位點(diǎn)組分隨著pH值的增加而增大。動力學(xué)解吸結(jié)果表明243Am(Ⅲ)-HA-Al2O3中243Am(Ⅲ)存在兩種不同的物種（“快”和“慢”溶解動力學(xué)分別代表可逆位點(diǎn)上的“弱”和“強(qiáng)”結(jié)合物種）。較低HA濃度時(shí)，243Am(Ⅲ)由最開始的“快速”溶解物種隨著時(shí)間的增加變?yōu)椤奥佟比芙馕锓N;而HA濃度較高時(shí)，243Am(Ⅲ)從HA-Al2O3上的“快速”和“