磁性可回收NiFe-LDH复合材料制备及其铀吸附性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:venus521
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核能作为没有任何温室气体排放的清洁能源已经成为人类重要的能源选项,核能的发展必然伴随大量含铀废液的产生,如何对其妥善处理成为一个重要的问题。经过数十年发展,研究者已开发出包括化学沉淀、离子交换、膜分离及吸附法等在内的多种铀去除技术,其中吸附法作为一种简单、高效的铀去除手段得到了越来越多的关注。水滑石材料因具有比表面积大、离子交换性能好且组成结构可调控等优势成为备受关注的一类吸附材料,本研究将磁性金属氧化物Fe3O4与水滑石结合起来,利用水热-溶剂热的方式制备出两类结构不同的Fe3O4-Ni Fe-LDH复合材料,借助磁分离的方式可简单地实现对吸附剂的分离回收。本文结合多种表征手段对所制备材料进行了较为充分的结构表征并通过静态吸附实验研究了多种环境因素对吸附过程产生的影响,在对吸附U(VI)前后的FT-IR及XPS谱图等进行研究后对所制备吸附剂的铀吸附机制也做了一定的分析阐述。(1)以Fe3O4及镍铁盐、尿素为原料,柠檬酸三钠作络合剂通过一步水热反应成功制备出Fe3O4/Ni Fe-LDH,单次制备过程中Fe3O4的投料量为0.2 g,提高制备过程中镍、铁盐的投料比有助于吸附剂的吸附性能提升。在微观形貌上材料呈现出具有多片层组装结构的微球形态并在微球表面可观察到小尺寸Fe3O4球形颗粒的出现,实验测定Fe3O4/Ni Fe-LDH(8:1)的比表面积为59.7 m~2/g。结合吸附实验结果确定了溶液体系p H=5、吸附剂含量为1/6 g/L的最优测试条件进行后续实验探究,对吸附动力学以及吸附热力学的研究结果表明吸附过程更加接近单分子层吸附并且是以化学吸附占据主导作用的自发吸热过程,通过Langmuir模型拟合得到室温下Fe3O4/Ni Fe-LDH(8:1)对U(VI)最大吸附容量可达615.6 mg/g。在多种金属阳离子共存的竞争吸附测试中Fe3O4/Ni Fe-LDH(8:1)仍可保持约524.4 mg/g的对U(VI)吸附容量并在经历两次吸附-脱附循环后仍保持近83%的铀去除率,配位作用以及离子交换应是吸附剂Fe3O4/Ni Fe-LDH能对U(VI)进行吸附的内在机制。(2)通过水热-溶剂热的方式分三步制备出具有核壳结构的吸附剂Fe3O4@Ni Fe-LDH,提高制备过程中硝酸镍的用量有利于吸附剂的性能提升并且由于所制备的Fe3O4微球自身粒径较小,Fe3O4@Ni Fe-LDH相较于上一章节的Fe3O4/Ni Fe-LDH在尺寸上也大幅减小,Fe3O4@Ni Fe-LDH-c的比表面积达到121.2 m~2/g大于前边提到的Fe3O4/Ni Fe-LDH(8:1)的59.7 m~2/g。结合吸附测试结果确定了p H=5、吸附剂含量为0.1 g/L的最优条件进行后续探究。吸附剂Fe3O4@Ni Fe-LDH对U(VI)的吸附过程仍然更加接近单分子层吸附并且是自发吸热的化学吸附过程,这一结论与上一部分相同。室温下Fe3O4@Ni Fe-LDH-c对U(VI)最大吸附容量可达862.1 mg/g。竞争吸附测试中Fe3O4@Ni Fe-LDH-c在与多种金属阳离子共存状态下仍可保持627.1 mg/g的对U(VI)吸附容量并在经历四次吸附-脱附循环后仍保持近75%的铀去除率,此两项数据也均比前边Fe3O4/Ni Fe-LDH(8:1)要有一定的提升,配位作用及离子交换依然还应是吸附剂Fe3O4@Ni Fe-LDH可实现对U(VI)吸附的主要作用机制。
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