基于石墨烯气凝胶溶剂浸渍材料的放化分离方法研究
陈姆妹
学位类型博士
导师张岚
2018
学位授予单位中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
关键词石墨烯气凝胶 溶剂浸渍 放化分离 吸附 放射性废液
摘要水法分离技术在核燃料循环中扮演着非常重要的角色。为了提高资源利用率和减少放射性及有毒有害核素对环境的威胁,促进核能的可持续发展,研究开发更高效的新分离方法和新材料意义深远。溶剂浸渍吸附材料结合了传统萃取技术的高选择性和吸附技术的操作简便性,在放射化学分离领域具有广阔的应用前景。石墨烯气凝胶(GA)是一种三维石墨烯结构材料,具有超疏水性、低密度、高孔隙率、稳定的化学性质以及强韧的机械性能,在作为溶剂浸渍吸附材料基体材料方面具有较大的应用潜力。本工作采用GA作为基体材料,用其浸渍有机萃取剂,制备了石墨烯气凝胶-溶剂浸渍吸附材料(Graphene Aerogel-Solvent Impregnated Adsorbent,GA-SIA),考察了GA作为基体材料负载有机萃取剂的性能,研究了GA-SIA对水体中金属离子的吸附分离性能,探索了基于GA-SIA的放化分离方法。在GA-SIA的制备过程中,首先是采用改进的Hummers方法以鳞片石墨为源材料制得氧化石墨烯(GO),再以GO为前驱体,利用乙二胺作为还原剂,通过溶胶凝胶法制备GA。随后以GA浸渍有机溶剂制得GA-SIA。采用原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱(Raman)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、接触角分析等分析技术对GO和GA进行表征。并考察了GA浸渍有机溶剂的速率、GA对有机溶剂的负载量、GA-SIA在酸性溶液中的稳定性以及GA-SIA中有机溶剂的脱除方法。结果表明制得的GO剥离程度好(为单层及部分三层堆叠的GO纳米片)、质量较高。用其制得的GA具有多孔三维网状结构,属于超轻(孔径在20-50μm左右,孔隙率>99.8%,密度为4.5 mg·cm-3)超疏水(接触角>150°)材料。GA对有机溶剂的浸渍速率快(最快可达40.7 g·g-1·s-1)、吸附容量高(比同类型吸附材料大2-3个数量级)。由于GA具有较好的压缩回弹性、热与化学稳定性,可通过机械挤压、燃烧等方法脱除GA-SIA上所负载的有机溶剂,实现GA的重复利用。GA-SIA的特异选择性取决于其所浸渍的有机萃取剂,可方便地根据目标物质选择不同的萃取剂实现GA-SIA的模块化设计,使其体现出不同的选择性。在本工作中,首先选用磷酸三丁酯(TBP)和四辛-3-氧戊二醇-1,5-二酰胺(TODGA)为功能萃取剂,制备了对应的GA-SIA(GA-TPB和GA-TODGA),分别研究了其对水溶液中U和Th的吸附性能。结果显示:GA-TPB和GA-TODGA对U和Th的吸附效率均依赖于萃取剂浓度及水相料液酸度,遵从分配比规律。GA-TPB和GA-TODGA对U和Th的饱和吸附容量分别为316.3和66.8 mg·g-1,均大于同类型吸附材料。另外,还对GA-SIA上吸附的金属离子的洗脱进行了研究,并通过吸脱附循环测试证明了GA-SIA的可重复利用性。考虑到GA-SIA可以模块化设计,并具有优异的金属离子吸附性能,针对高放废液中典型金属离子的分离,本工作还提出了基于GA-SIA的两种分离策略。在“分组”分离策略中,制备了GA-DMHMP、GA-DCH18C6、及GA-TODGA三种GA-SIA材料,利用不同GA-SIA的选择性实现了Th/U、Sr及RE金属离子的“分组”分离;在“一把抓”策略中,利用TODGA对Th、U、Sr及RE金属离子的较强萃取性能,以GA-TODGA作为吸附材料,可以去除高放废液中大部分的金属离子,较大程度地降低高放废液的放射性水平。与传统高放废液处理方式相比,基于GA-SIA的处理工艺操作简单,具有较好的应用前景。综上所述,由于GA优良的有机溶剂负载性能,以其为基体材料制备的溶剂浸渍吸附材料具有制备及操作过程简单、可模块化设计、金属离子吸附性能强、可重复利用等特点。可以根据需求场景的不同,快速、批量、模块化地制备获得具有高选择性及效率的GA-SIA吸附材料,用于放射性金属离子的处理。与传统水法分离技术相比,GA-SIA工艺操作简单、处理效率高,并能有效减少二次废物产生,在放化分离领域具有较好的应用前景。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/28451
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
陈姆妹. 基于石墨烯气凝胶溶剂浸渍材料的放化分离方法研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2018.
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