功能化纤维介孔硅对铀(Ⅵ)和钍(Ⅳ)的吸附性能研究

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铀和钍是重要的核燃料,也是潜在的放射性毒物,铀和钍的吸附和分离对核能可持续发展、人体健康以及环境保护具有十分重要的意义。吸附法因其具有富集因子高、减容比大以及不会乳化等优点,在放射性核素的分离领域越来越受到重视。有序介孔硅作为优良的吸附剂,其孔径在2-50 nm之间,具有比表面积高、孔道结构可调、以及良好的热稳定性等诸多优点,广泛应用在重金属的吸附方面。但是由于材料表面内部的官能团种类少,并且孔道结构小,导致介孔材料吸附不足。本文制备了纤维介孔硅材料(F-SiO2),通过后嫁接法合成氨基(APS-F-Si O2)、羧基(COOH-F-SiO2)、胺肟(AD-F-SiO2)、磷酸(DPTS-F-SiO2)等功能化纤维介孔硅材料,扩大介孔材料的孔道结构,提高了吸附容量。采用SEM、FT-IR、N2吸附-脱附曲线、热重分析等方法表征了功能化纤维介孔硅材料的物理化学性质。考察了纤维介孔硅材料表面功能化的种类、溶液的pH值、接触时间、铀和钍的初始浓度、竞争离子等对功能化纤维介孔硅材料吸附U(VI)和Th(IV)的影响;探讨了吸附动力学、等温线;并研究了对U(VI)选择吸附性能,主要结果如下:(1)通过CTAB为模版剂,在环己烷和异丙醇作为溶剂条件下合成了F-SiO2。氮气吸附-脱附分析比表面积大约高达657 m2·g-1,孔径10-15 nm。扫描电镜显示材料为纤维球体。TGA热重显示材料拥有良好的热稳定性。当pH=3.0±0.05,msorbent/Vsolution=0.4 mg·m L-1,[Th]initial=100 mg·L-1,吸附容量达到38.7 mg·g-1。F-SiO2吸附Th(IV)的行为符合准二级动力学模型和Langmuir等温模型,即吸附主要是受化学作用控制,以单分子层吸附为主。当Zn2+、Co2+、Gd3+、Ni2+、Yb3+、Sr2+、La3+、Sm3+、和Nd3+等离子存在时,F-SiO2对Th(IV)吸附的选择性显著增强。(2)通过嫁接方法合成了COOH-F-Si O2。氮气吸附-脱附分析比表面积大约为416m2·g-1,孔径大约11 nm。SEM显示该材料为纤维球体结构,功能化前后材料的形貌没有明显变化。热重测定结果显示,该材料拥有良好的热稳定性。当pH=3.0±0.05,msorbent/Vsolution=0.4 mg·mL-1,[Th]initial=100 mg·L-1,吸附容量达到68.4 mg·g-1。COOH-F-SiO2吸附Th(IV)符合Langmuir(R2>0.9921)模型,Th(IV)以单分子层吸附为主。此外,该材料具有选择性吸附Th(IV)的能力,在混合金属离子体系中,不受其他金属离子的干扰,依然保持对Th(IV)较高的吸附。(3)通过嫁接方法合成了APS-F-SiO2。氮气吸附-脱附分析比表面积高达346 m2/g,孔径10 nm。扫描电镜显示材料为纤维球体结构。热重显示材料拥有良好的热稳定性。当pH=5.0±0.05,msorbent/Vsolution=0.4 mg·mL-1,[U]initial=100 mg·L-1,吸附容量达到162.6 mg·g-1。APS-F-SiO2吸附U(VI)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,以单分子层吸附为主,当Zn2+、Co2+、Gd3+、Ni2+、Yb3+、Sr2+、La3+、Sm3+、和Nd3+等离子存在时,APS-F-SiO2对U(VI)吸附的选择性显著增强。(4)通过嫁接方法合成了AD-F-SiO2、DPTS-F-Si O2。氮气吸附-脱附分析AD-F-SiO2比表面积大约高达358 m2·g-1,孔径约11 nm;DPTS-F-SiO2比表面积大约高达442 m2·g-1,孔径约12 nm;扫描电镜显示功能化前后材料形貌没有发生明显变化,当pH=5.0±0.05,msorbent/Vsolution=0.4 mg·mL-1,[U]initial=100 mg·L-1,AD-F-SiO2吸附容量达到107.8 mg·g-1;DPTS-F-SiO2吸附容量达到87.3 mg·g-1
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