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铀,作为重要的核燃料,可用于核武器和核能的开发,进而促进了原子能工业的发展、缓解了用电成本。然而,在铀矿的开采、核废料和核事故中会产生各种放射性核素,一旦进入饮用水中,危及了人类和其他生物体的健康。因此,设计和制备具有功能性的材料是修复被铀污染的水体系的一个重要策略。近年来,碳基材料具有低廉的制备成本、简单的操作工艺、大的比表面积和良好的化学稳定性等优势,博得了研究者的青睐。但是,原始碳基材料的表面活性位点是有限的,进而呈现出较慢的吸附动力学和较低的吸附容量,严重阻碍了碳基材料在吸附放射性废水方面的实际应用。本文在原始水热碳球(HCSs)上通过原位氧化聚合成氨基化碳球(ACSs)、煅烧合成羧基化碳球(CCSs)、植酸改性合成磷酸化碳球(HCSs@PO4)和碱热法合成钛酸盐包覆的碳球(C@TNFs,C@TNFs(H)),从而大幅度提升碳基材料在吸附铀及其他放射性离子方面的能力。具体研究方法和结论如下:(1)水热制备得到原始碳球材料(HCSs),分别通过原位聚合和简单的煅烧方法得到氨基功能化的碳球(ACSs)和羧基功能化碳球(CCSs)。根据Langmuir模型计算,在常温下,U(Ⅵ)在ACSs和CCSs材料上的最大吸附量分别是73.83和401.61 mg g-1,这高于最大吸附量只有19.31 mg g-1的HCSs材料。在298、313和328 K三种不同的温度下,Freundlich模型可以很好地拟合U(Ⅵ)在ACSs上的吸附等温线数据,而U(Ⅵ)在CCSs上的吸附等温线数据符合Langmuir模型。结合FT-IR和XPS光谱分析,U(Ⅵ)在这两种材料上的有效富集主要是由于ACSs(C=NOH/C-NH2)和CCSs(-OH/COOH)上丰富的官能团引起的。此外,离子强度对U(Ⅵ)吸附实验的影响说明了 ACSs和CCSs材料对U(Ⅵ)的吸附分别被外层表面络合和内层表面络合干扰。(2)以植酸作为磷源,通过化学接枝的方法合成磷酸功能化的碳球(HCSs@PO4)。在T=298 K和pH=5.0的模拟环境废水中进行U(Ⅵ)的富集实验,HCSs@PO4材料对U(VI)展现出552.49 mg g-1的优异吸附容量,优于HCSs材料的最大吸附容量(32.06 mg g-1)。通过一系列批实验研究说明溶液中离子强度对U(Ⅵ)富集在HCSs@PO4材料上的行为影响较小,由此表明U(Ⅵ)吸附在HCSs@PO4材料上为内层表面络合。通过热力学研究表明升高温度可以促进HCSs@PO4材料对U(Ⅵ)的吸附,揭示了此吸附过程是吸热且自发进行的。此外,选择性吸附实验用以评估HCSs@PO4材料对U(Ⅵ)裂变副产物(Cs(Ⅰ)和Sr(Ⅱ))和其他放射性离子(Co(Ⅱ)、Eu(Ⅲ)和Th(Ⅵ))的捕获能力。FT-IR和XPS光谱学实验表明,HCSs@PO4材料吸附性能之所以大幅度增加是因为丰富的磷酸基团([PO4])能够有效的与U(Ⅵ)形成配位共价键,从而表现出比羟基(-OH)和羧基(-COOH)更强的表面络合能力。(3)通过溶胶-凝胶法合成钛酸盐功能化的碳球(C@TNFs和C@TNFs(H)),钛酸盐层间的Na+为放射性离子(U(Ⅵ),Ba(Ⅱ)和Sr(Ⅱ))的离子交换提供了对活性位点。研究发现,U(Ⅵ)和Ba(Ⅱ)在C@TNFs上的离子交换容量分别为～4.76 meq g-1和～2.65 meq g-1;而Ba(Ⅱ)和Sr(Ⅱ)在 C@TNFs(H)上的离子交换容量分别～2.53 meq g-1和～2.24 meq g-1,超过了二者的理论离子交换容量。此外,在较宽的pH(3.5-9.0)范围内,C@TNFs和C@TNFs(H)材料同样表现出较高的分配系数(KdU>104 mL g-1)。竞争离子交换实验表明钛酸盐功能化的碳球对三种放射性离子的选择性顺序依次为U(Ⅵ)>Ba(Ⅱ)>Sr(Ⅱ)。由于C@TNFs在210℃下脱水得到C@TNFs(H),使其层间距减小,进一步固定了层中的U(Ⅵ)、Ba(Ⅱ)和Sr(Ⅱ),使C@TNFs和C@TNFs(H)成为放射性核素修复领域的有力竞争者综上,这项工作的研究结果提供了几种简便而有效的方法对碳球进行改性,从而合成出高质量的ACSs,CCSs,HCSs@PO4,C@TNFs和C@TNFs(H)材料,用于高效快速地修复放射性废水,使这些功能性碳基材料有望用于放射性核素去除的实际应用中。