咪唑类金属有机框架复合材料对U(VI)的高效吸附及机理研究

Rapid and highly efficient removal of toxic, non-degradable radionuclides from groundwater is of great significance for the remediation of contaminated groundwater. Metal-organic frameworks (MOFs) have shown excellent capture performance for radionuclides from wastewaters, while U(VI) removal from groundwater by MOFs and its corresponding mechanisms remains unclear. In this project, MOF composites based on imidazole ligands are prepared and applied in the remediation of U(VI)-contaminated groundwater by using batch technique. The effects of constitutes, intrinsic properties and groundwater environmental factors (e.g. pH, coexisting inorganic anions and/or cations and organic substances, etc.) on the adsorption performance are systematically investigated in order to screen excellent MOF-based materials for groundwater remediation. The interactive mechanism between U(VI) and MOF-based materials are explored by the combination of model fitting, microscopic characterization (e.g. nano-FTIR, XRD, XPS, etc.) and density functional theory (DFT) calculations. These results are expected to have important scientific significance for the remediation of radionuclide-contaminated groundwater.

快速、高效的去除地下水中毒性大、不能降解的放射性核素对地下水的污染修复具有重要的意义。金属有机框架材料对废水中的放射性核素具有高效的去除性能，但对于地下水中U(VI)的去除及其微观作用机制还有待进一步研究。本项目拟设计并制备咪唑类金属有机框架复合材料，采用静态批式实验方法，探索复合材料各组分、本征特性和地下水的环境因素（pH、共存无机阴/阳离子以及有机质等）对U(VI)去除性能的影响，筛选出能够快速、高效的去除地下水中U(VI)的咪唑类金属有机框架材料。结合反应模型拟合、微观表征技术（nano-FTIR、XRD、XPS等）和密度泛函数理论（DFT）计算，探明不同环境因素作用下U(VI)在咪唑类金属有机框架材料上的反应活性位点、赋存形态、微观结构等，从分子水平上揭示咪唑类金属有机框架材料吸附U(VI)的作用机制。预期成果对地下水的放射性污染修复具有重要的科学意义。

针对地下水中的毒性大、不能降解的放射性核素的吸附去除，本项目设计合成了多种功能化金属有机框架复合材料体系，包括聚乙烯亚胺功能化ZIF-8纳米片、巯基化UiO-66、氨基功能化MIL-101纳米颗粒、NH2-MIL-53纳米片，实现了功能化金属有机框架材料对放射性核素含氧阳离子和阴离子的同时快速、高效去除。以U(VI)和Re(VII)为目标污染物，利用静态吸附批实验技术，探明了地下水条件(介质pH、接触时间、初始浓度、温度、离子强度、共存离子、有机质等)对上述几种功能化金属有机框架复合材料去除U(VI)和Re(VII)性能的影响，得到了金属有机框架复合材料的物理化学性质与放射性核素去除性能之间的内在联系，这将为金属有机框架材料的设计提供新思路；改变水化学条件，探究了U(VI)和Re(VII)共存时，功能化金属有机框架复合材料对U(VI)和Re(VII)吸附去除的影响，为实际复杂放射性废水的去除提供理论支撑；利用反应模型拟合、微观表征手段(FTIR、XPS等)和DFT理论计算相结合的方法从分子水平上解析了U(VI)和Re(VII)在上述功能化金属有机框架材料上的吸附位点、赋存形态等。本项目研究成果将为放射性污染治理的研究提供理论基础和技术储备，同时能为发展治理多污染物共存废水的新技术提供理论指导。研究成果在J. Hazard. Mater.、Sci. Total Environ.、Environ. Sci. Pollut. Res.、J. Environ. Chem. Eng.、Plant Physiol. Bioch.等期刊已发表多篇SCI文章，其中中科院1区期刊2篇，已申报国家发明专利1项，培养硕士研究生7名。