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在日趋严重的环境压力下,发展核能这种清洁、稳定且能量密度大的能源,对保障能源安全、减少化石能源的污染具有举足轻重的意义。但随着核能的快速发展,放射性废物的处理处置已成为世界上许多国家所面临的急需解决的重要命题。作为最重要的核燃料,铀在放射性核废水中大量存在,对生物以及生态平衡构成严重的潜在威胁。开发具有高吸附容量、高吸附效率的功能性纳米粒子是处理放射性含U(Ⅵ)废水的重要课题之一。二氧化锰(MnO2)是一种环境友好型金属氧化物,具有来源广泛、成本低廉、形貌多样、晶型丰富、结构稳定、粒径可控等优异的性质,在放射性核素的去除应用上展现出巨大的潜力。遗憾的是,过大的压降、较差的机械刚度和一定的团聚性限制了 MnO2的实际应用。因此,结合有机或无机材料对MnO2进行改性以改善其吸附性能已经引起了人们的广泛关注。本文利用简单的水热法制备了性质独特、形貌良好、结构稳定的α-MnO2纳米线。本着设计分散性好、活性位点丰富、耐受性优异的MnO2复合材料的理念,通过简单的合成方法制备了 α-MnO2与有机聚合物、金属氧化物、石墨烯类物质或无机粘土矿物相复合的吸附剂(MnO2@M)用于废水中U(Ⅵ)的吸附。考察了MnO2@M在富集U(Ⅵ)方面的影响因素、实际应用潜力并探讨了其与U(Ⅵ)的相互作用机理。最后,总结比较了不同种类改性材料对α-MnO2性质的影响和增强α-MnO2吸附性能的机制。(1)利用聚多巴胺(PDA)涂覆α-MnO2纳米线合成α-MnO2@PDAs复合材料。α-MnO2@PDAs具有出色的分散性和丰富的表面官能团。U(Ⅵ)在α-MnO2@PDAs上的吸附明显受pH值的影响,而不是离子强度的影响。吸附反应可在5分钟内达到平衡。根据Langmuir模型参数计算得出在298 K和不同pH值下的最大吸附容量大小顺序为 pH 5.0(383.1 mg/g)>8.0(213.2 mg/g)>3.0(158.7 mg/g),表明α-MnO2@PDAs在苛刻的酸性和碱性条件下仍能有效去除U(Ⅵ)。光谱分析表明,良好的吸附发生在酚羟基、酰胺官能团等活性结合位点。α-MnO2@PDAs对天然或合成水中U(Ⅵ)的高吸附能力,证实其在实际废水处理中的潜在适用性。(2)将锐钛矿型二氧化钛(TiO2)固定在α-MnO2纳米线的表面上,制备了 TiO2改性的MnO2(MnO2@TiO2)。基础材料α-MnO2充当客体TiO2的物理模板,形成的MnO2@TiO2复合材料表现出高度均匀的核-壳纳米棒结构。MnO2@TiO2对U(Ⅵ)的最大吸附容量(105.3 mg/g)比 MnO2(13.3 mg/g)高得多,MnO2@TiO2 吸附U(Ⅵ)涉及单层化学吸附。在吸附过程中,U(Ⅵ)与MnO2@TiO2之间可能存在三种相互作用,即内球表面络合、化学沉淀和静电相互作用。(3)通过简单的超声处理工艺,将α-MnO2纳米线与氧化石墨烯(GO)结合在一起,合理地构造了互穿的三维MnO2@GO复合材料(MGs)。初步实验表明,MnO2和GO质量比为1:2的复合物M1G2在pH 5.0、298 K时对U(Ⅵ)具有相对最佳的吸附能力(271.7 mg/g)。M1G2对U(Ⅵ)具有高选择性,在NO3-、Cl-、CO32-、HCO3-、Mg2+、K+或Na+存在下可以去除>90%的目标离子。M1G2在广泛的pH范围内(3.0-10.0)表现了出色的稳定性,并且对高离子强度具有极强的抵抗力。M1G2可重复使用4次而性能没有明显下降,实现了吸附剂的可持续性。动力学研究表明,M1G2可以在超短的动力学平衡时间内(<1 min)有效捕获目标离子。通过分析表征数据可以清楚地观察到相互作用机理,含氧官能团在结合目标离子方面起着主要作用。(4)构建了由α-MnO2和水滑石(LDHs)组成的复合吸附剂α-MnO2@LDHs。298 K条件下,通过内球表面络合物的形成和氧化还原反应,α-MnO2@LDHs去除U(Ⅵ)的最大能力为135.5 mg/g。在328K时,去除量达到565.0 mg/g,表明α-MnO2@LDHs有处理高温放射性废水的潜力。此外,α-MnO2@LDHs表现出较宽的离子强度(0.001-0.1 M)和pH(5.0-12.0)可用性,较强的抗外来离子干扰能力和快速吸附能力。深入而系统的光谱分析表明,活性官能团被视为Al-和Mg-OH,Mn3+和CO32-也为U(Ⅵ)的结合做出了重要贡献。综上,本论文通过简单的方法合成了性质优异的纳米复合材料MnO2@M。制得的MnO2@M集合了单一α-MnO2和改性物质各自的优点,显著提升了吸附性能,对于含U(Ⅵ)废水的处理具有潜在的应用价值。通过比较不同种类改性物质对α-MnO2性质和吸附性能的影响,发现改性物质的引入对吸附剂的分散性、比表面积、官能团含量有一定的改善,-OH、-COOH等基团对U(Ⅵ)表现出较强的亲和力,对于U(Ⅵ)去除量的增加做出了巨大贡献,相较于比表面积的增加,特异性基团的大量引入更有利于吸附效果的增强。