CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
新型高性能铀酰离子吸附材料制备及应用研究
敖浚轩
Subtype博士
Thesis Advisor李晴暖
2020-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword辐射技术 吸附材料 抗微生物污染性 离子印迹
Abstract铀作为全球核工业中最为重要的元素之一,被广泛的应用于核能产业中的核燃料以及国防战略中的核武器。中国具有可开采价值的铀资源量相对世界其他国家较少。随着未来全球核电的高速发展,铀资源的短缺和供需矛盾以及对铀矿的开采将变得愈演愈烈。海洋中的铀资源含量巨大,可支持核能发电数千年。在铀矿开采等核工业活动的过程中,铀矿尾液的放射性废弃物具有潜在的危险性。含铀放射性废水排放进入环境会对人类的健康以及整个生态圈都造成极大的破坏。因此从资源利用和环境保护两个方面出发,海水提铀以及核工业废液中铀的去除是迫在眉睫的任务。在铀提取的过程中,遇到的最大挑战是环境中的微生物污染、共存离子的竞争吸附以及低浓度铀的去除等等。本论文主要以提高吸附材料的抗微生物污染性、吸附选择性以及铀去除的高效性为研究目的。选用超高分子量聚乙烯纤维和回收废弃的高分子薄膜作为基材,利用辐射技术以及化学修饰的方法对材料进行功能化的改性,包括锌离子和季铵官能团的引入、辐射引发的离子印迹技术以及辐射引发接枝和化学引发接枝联用的方法。最终制备出一系列吸附材料用以研究如何解决上述铀提取遇到的几大挑战。然后对吸附材料的化学结构组成、微观形貌以及官能团在空间上的分布进行了分析和讨论。最后采用静态吸附、流动柱吸附以及真实海水吸附对吸附材料的铀吸附和去除做了系统的研究。论文的具体内容如下:(1)Zn@AO纤维的制备及其对铀的吸附和抗微生物污染性研究通过辐射接枝技术和氨肟化反应对超高分子量聚乙烯纤维修饰偕胺肟和羧基官能团。随后对偕胺肟修饰的超高分子量聚乙烯纤维进行Zn~(2+)的微量预负载处理。同步辐射红外光谱表明Zn~(2+)主要与纤维上的羧基进行结合。通过铀溶液吸附评测和抗菌性评测,研究结果表明负载锌离子之后,对铀的吸附容量增加了37%,吸附速率常数提高了67%。并且吸附材料对黑曲霉、枯草杆菌和溶藻弧菌的抗菌性能均提高。最后在真实海水中对铀的吸附容量提高了50%以上,吸附材料表面的海洋微生物污染有明显减少。(2)季铵盐型吸附纤维的制备优化及其对铀的吸附研究采用辐射接枝技术在超高分子量聚乙烯纤维上修饰丙烯腈和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯。通过改变氨肟化和季铵化的顺序对季铵型偕胺肟吸附材料的制备进行了调控和优化。通过吸附实验的筛选以及SEM-EDS对官能团的空间分布进行表征,研究结果表明当季铵基团分布在纤维的内部,而偕胺肟基团分布在纤维的外层时,季铵型偕胺肟吸附材料(Q-AO)对铀的吸附性能最好。与仅仅偕胺肟修饰的吸附材料相比,Q-AO具有更高的吸附容量和吸附速率。而且季铵官能团的修饰提高了偕胺肟官能团的利用率。在真实海水中,Q-AO对铀的吸附容量增加了七倍,选择性也得到了显著提升。并且具备一定的抗微生物污染性。(3)印迹型纤维的制备及其对铀的选择性吸附研究采用辐射接枝技术在超高分子量聚乙烯纤维上修饰丙烯酸-4-羟丁酯缩水甘油醚(4HB)单体,再通过开环反应、迈克尔加成反应和氨肟化反应修饰上偕胺肟官能团,制备得到偕胺肟吸附纤维。然后在辐射引发的交联反应下,对吸附材料进行了印迹化处理。由于离子印迹技术使得纤维上的偕胺肟官能团与UO_2~(2-)具有特定的互补空间结构和固定配位结构,材料表面出现了微纳米孔以及亚纳米级的自由体积孔洞。吸附实验结果表明,印迹化之后,吸附材料对铀的吸附选择性和吸附容量有显著的提高。(4)AO-Membrane的制备及其对铀溶液的去除研究对废弃的塑料进行回收作为高分子薄膜基材,并采用电子束引发接枝技术在基材上修饰羟基,然后利用氧化还原引发接枝修饰丙烯腈和丙烯酸,最后氨肟化处理制备得到偕胺肟高分子薄膜吸附材料AO-Membrane。表征发现吸附材料表面出现了孔洞以及有序排列的纳米颗粒状结构,并且氧化还原接枝的单体主要分布在高分子薄膜的外层。力学强度可以维持在14 MPa。吸附实验结果表明,在pH为3到8之间,AO-Membrane对低浓度的铀溶液处理可以使铀浓度从100μg/L降至50μg/L以下达到国家规定直排标准。样品对铀的去除性能随着循环使用次数的增加反而增强。流动吸附实验结果表明AO-Membrane可以处理超过自身体积1250倍的1 mg/L浓度的铀溶液,并且0.5 mol/L的盐酸溶液可以对吸附上的铀进行完全的快速脱附。
Pages143
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32458
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
敖浚轩. 新型高性能铀酰离子吸附材料制备及应用研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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