论文部分内容阅读
虽然核能作为一种高效的清洁能源在全球得到快速发展,但是背后铀矿的开采以及核废料处理所带来的放射性核素污染也是我们必须正视的问题,不仅会污染水体、土壤、大气,而且放射性物质的扩散也会给人类以及动植物带来潜在的伤害。因此,水环境中放射性核素污染的治理就显得尤为重要。面对这一现状,开发新型的去除材料以及合适的去除技术便是我们当前急需的。其中,吸附技术由于操作简单,易于大范围使用等优点被广泛用于水环境中核素的去除;共价有机骨架材料(COFs)相较于传统的吸附剂因结构可调、独特的氢键骨架、较高的比表面积以及较大的吸附容量在环境治理领域表现出巨大的发展潜能。本论文在新型纳米材料COF-TpPa-1的基础上,并对其进行功能化改性制备高性能的衍生材料。研究TpPa-1以及纳米复合材料对水环境中放射性核素U(VI)/Eu(III)离子的吸附机制。本论文的主要研究工作以及相应的研究成果可以总结为以下三个方面:(1)以TpPa-1作为吸附剂去除废水中的放射性物质U(VI)/Eu(III)离子。吸附完成后通过滤膜将TpPa-1进行分离。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、核磁共振波谱仪(NMR)、热重分析(TGA)、比表面积和孔隙度分析仪(SAP)、Zeta电位分析仪以及X射线光电子能谱(XPS)等对TpPa-1的形貌、成分及结构进行表征,并研究其对水体中U(VI)/Eu(III)离子的吸附特性。研究了溶液p H值、反应时间、U(VI)/Eu(III)离子初始浓度、温度及离子强度等对TpPa-1吸附U(VI)/Eu(III)离子过程的影响。并利用动力学模型及等温线模型对吸附数据进行拟合分析。研究结果表明:p H值对吸附过程有很大的影响,对U(VI)/Eu(III)离子的吸附最佳p H在6.5,吸附时间均在4h左右达到平衡;温度的升高促进TpPa-1对U(VI)/Eu(III)离子的吸附能力,且吸附过程受到离子强度的影响较小。吸附动力学拟合参数表明吸附过程更符合准二级动力学模型,吸附阶段有多个环节影响,包括外膜扩散及颗粒内扩散;等温模型更加符合Langmuir模型,表明TpPa-1吸附U(VI)/Eu(III)是单层吸附。在p H=6.5,T=298 K时,TpPa-1的最大吸附量分别为1194.07mg(U(VI))/g和1107.63 mg(Eu(III))/g。(2)基于一种相互促进策略,通过将共价有机骨架材料(TpPa-1)原位负载在单层氧化石墨烯(GO)薄片上,得到一个新型的氧化石墨烯-协同共价有机骨架(GO@TpPa-1)。利用SEM、TEM、FT-IR、XRD、TGA、Zeta、SAP、拉曼分析(Raman)及XPS等检测手段对GO@TpPa-1进行表征,并研究GO@TpPa-1对U(VI)/Eu(III)离子的吸附机制。研究结果表明,TpPa-1被成功负载在GO表面,GO@TpPa-1的形貌和结构不仅弥补了单个纳米材料的不足,而且为去除核素离子提供了足够的吸附空间和接触面积。采用一系列实验考察了溶液p H值、反应时间、初始浓度、温度及离子强度等对GO@TpPa-1吸附U(VI)/Eu(III)离子过程的影响,通过5次解吸-吸附循环实验探究GO@TpPa-1在实际应用中的利用能力。当p H=6.5时吸附效果最佳,吸附时间分别在60min/30min左右达到平衡,准二级动力学模型更加适合描述动力学数据,温度升高会促进U(VI)/Eu(III)离子的吸附;等温吸附Langmuir模型的相关系数较高,表明GO@TpPa-1对U(VI)/Eu(III)离子的吸附过程属于化学吸附,在298K时吸附容量可达(U(VI):1532.35 mg/g)和(Eu(III):886.44 mg/g)。(3)主要基于单体醛基与金属有机骨架(NH2-MIL-125)中-NH2之间的席夫碱反应,通过一种新颖的“种子生长法”合成一种新型的NH2-MIL-125@TpPa-1纳米杂化材料,使其暴露出更多的活性位点从而提高对U(VI)/Eu(III)离子的吸附能力。采用批实验通过动力学、等温线及热力学模型对实验数据进行拟合,探究NH2-MIL-125@TpPa-1对U(VI)/Eu(III)离子的吸附机理。研究结果表明:复合材料NH2-MIL-125@TpPa-1对U(VI)/Eu(III)离子有较好的吸附效果,在p H为6.5时达到最佳,拥有快速的吸附动力学。而且吸附数据更符合准二级动力学模型及Langmuir模型,颗粒内扩散模型表明吸附过程存在多个阶段,热力学参数显示吸附过程是吸热自发的过程。所以温度升高会促进NH2-MIL-125@TpPa-1的吸附能力。在p H=6.5,T=298K时,利用Langmuir模型拟合的数据表明杂化材料NH2-MIL-125@TpPa-1对U(VI)/Eu(III)有较高的吸附容量。以上研究成果对含放射性核素废水的治理与修复具有重要意义。