功能化有序介孔碳对铀(Ⅵ)吸附性能的研究

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有序介孔碳具有孔径在2~50nm之间连续可调、丰富的孔结构及良好的稳定性等优点,广泛的应用于生物分子、染料及气体等的吸附,但由于表面功能基团的种类和含量较少,制约了其在核素吸附方面的应用。本论文制备了羧基化有序介孔碳(CMK–3–COOH)、磷酸化有序介孔碳(CMK–3–PO4)、氨基化有序介孔碳(CMK–3–NH2)和磺酸化有序介孔碳(CMK–3–SO3H),拟突破有序介孔碳对铀(VI)的吸附容量小和选择性差等瓶颈。采用小角XRD、TEM、N2吸附–脱附曲线、SEM、FT–IR和酸碱滴定等方法表征了功能化有序介孔碳的物理化学性质。考察了表面功能基团的种类、溶液的pH值、吸附时间、铀溶液浓度和温度对功能化有序介孔碳吸附铀(VI)的影响;探讨了吸附动力学、等温线和热力学规律;并研究了对铀(VI)选择性吸附性能、脱附特性及重复使用效果。采用浓硝酸气固转换羧基化法制备CMK–3–COOH。羧基化过程不会破坏CMK–3原有的有序介孔结构;含氧基团含量由0.52增至2.18mmol·g-1。CMK–3–COOH吸附铀(VI)的行为符合准二级动力学模型和Langmuir等温式,即吸附主要是受化学作用控制的,单分子层饱和吸附容量由133.4提高至233.5mg·g-1。当Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)、Mg(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Sr(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)等离子存在时,CMK–3–COOH对铀(VI)吸附的选择性显著增强。1.0mol·L-1HCl溶液可作为CMK–3–COOH上铀(VI)的洗脱液,洗脱率达93.1%。采用原位磷酸化法制备了CMK–3–PO4。磷酸化过程较好的保留了CMK–3的原有的介孔结构;含氧基团含量由0.52增加至2.37mmol·g-1。CMK–3–PO4对铀(VI)的吸附符合Langmuir等温式及准二级吸附动力学模型,说明吸附是由化学作用力控制的;单分子层饱和吸附容量由133.4提高至485.4mg·g-1;吸附过程为自发吸热的。在Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)、Mg(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Sr(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)等离子存在时,CMK–3–PO4对铀(VI)吸附的选择性明显强于CMK–3。1.0mol·L-1HCl溶液可将CMK–3–PO4上铀(VI)完全解析。采用硝基还原法制备了CMK–3–NH2。氨基化过程对CMK–3原有的介孔结构破坏较小;CMK–3–NH2表面氨基含量为1.25mmol·g-1。CMK–3–NH2对铀(VI)的吸附行为符合Langmuir等温式及准二级动力学模型,表明吸附为化学作用力支配的,单分子层饱和吸附容量由133.4增至414.9mg g-1;吸附行为为自发吸热的。在Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)、Mg(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Sr(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)等离子存在时,CMK–3–NH2对铀(VI)吸附的选择性有所提高。0.1mol·L-1EDTA溶液可将CMK–3–NH2上铀(VI)完全解析。采用发烟硫酸气固转换磺酸化法制备了CMK–3–SO3H。磺酸化过程基本保留了CMK–3原来的介孔结构; CMK–3–SO3H表面磺酸基含量为1.09mmol·g-1。CMK–3–SO3H对铀(VI)的吸附行为可用Langmuir等温式及准二级动力学模型描述,即吸附是由化学作用力控制的,单分子层饱和吸附容量由133.4增至186.2mg·g-1。当Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)、Mg(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Sr(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)等离子存在时,CMK–3–SO3H对铀(VI)吸附的选择性未有提高。1.0mol·L-1H2SO4溶液可作为CMK–3–SO3H上铀(VI)洗脱液,洗脱率达98.5%。
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