磁性有序介孔硅/聚合物复合材料对铀(VI)的吸附与分离研究

The efficient separation of radionuclide uranium from low-level liquid waste can reduce the environmental hazard and recover important nuclear resources, so it is of great positive significance. The magnetic ordered mesoporous silica (M-SBA) with abundant pore structure and high specific surface is utilized as matrix. And solutions of monomeric such as aniline, thiophene, pyrrole and acrylonitrile and initiator is impregnate into the pore channel of M-SBA, and polymerized in situ on the inner wall of M-SBA after removal of most of the solvent by low-temperature vacuum evaporation technique. Under the premise of retaining the ordered mesoporous structure, the polymer/M-SBA nano-composites with high specific surface area, large adsorption capacity, high selectivity and easy separation from the solution will be prepared, which break through bottleneck of low capacity and selectivity of ordered mesoporous silica materials. The research focuses on the effects of optimized process parameters on the surface microstructure and macroscopic adsorption ability of nano-composite, and exploring the structure-activity relationship between physicochemical properties and adsorption properties of composite materials. The mechanism of nano-composites on adsorption of U(VI) is clarified by the combination of XPS and FT-IR spectroscopy instruments. The project will provide theoretical and technical support for the efficient separation of U(VI) from low-level liquid waste.

有效分离低放废液中的放射性核素铀可减少对环境的危害，并回收重要的核资源，因此具有重要的意义。本项目以孔隙结构丰富，比表面高的磁性有序介孔硅（M-SBA）为基体，将苯胺、噻吩、吡咯和丙烯腈等单体和引发剂溶液引入M-SBA孔道内壁，采用低温真空蒸发技术去除大部分溶剂后原位聚合，在保留有序介孔结构的前提下，制备比表面积高、吸附容量大、选择性强和易回收的磁性有序介孔硅/聚合物复合材料，突破有序介孔硅材料对铀(VI)吸附容量低、选择性差的瓶颈。重点研究优化工艺参数对复合纳米材料的表面微观结构和宏观吸附性能的影响，探究复合材料表面物理化学特性和吸附性能之间的构效关系；结合XPS和FT-IR等谱学手段阐明复合材料与铀(VI)的相互作用。本项目预期研究将为低放废液中高效分离铀(VI)提供理论和技术支撑。

由于我国核电的快速发展和铀资源的匮乏之间的矛盾日益突出，因此从放射性废液中高效回收铀逐渐成为环境化学研究的热点。磁性介孔二氧化硅材料是一种比表面积大、热稳定性高、易于回收的吸附材料。本论文研究了不同类型、聚噻吩和偕胺肟化聚丙烯腈复合的磁性介孔硅在去除水体中U(VI)的应用，并探究了上述材料吸附U(VI)的机理。采取溶胶-凝胶法制备了M-SBA-15、M-MCM-41和M-MCM-48三种磁性介孔硅材料；在确定了最佳的磁性介孔硅基体材料为M-SBA-15后，通过噻吩原位聚合制备了M-SBA/聚噻吩复合材料（MSTH），分别采用CTAB和NaDBS复合MSTH得到表面活性剂修饰的复合材料（MSTHC和MSTHN）；浸渍法得到M-SBA-15/聚丙烯腈复合材料后使用盐酸羟胺还原制备了M-SBA-15/偕胺肟化聚丙烯腈复合材料(MSAO-x, x=1, 2和4)。采用小角XRD、TEM和N2吸附-脱附等手段表征了制备材料的理化性质，考察了上述材料对U(VI)的吸附性能，并探究了最佳吸附条件，研究了材料的洗脱和重复使用性及选择性，讨论了潜在的吸附机理。小角XRD和N2吸附-脱附曲线，证实了制备的材料均为有序介孔结构。XPS和FT-IR等表征证明成功制备了各种材料。对U(VI)的吸附实验结果表明，M-SBA-15、MSTHC和MSAO-2的最佳吸附pH值均为6.0，且均具有快速的吸附速率，分别可于240、120和30 min内可达到吸附平衡并符合准二级动力学模型；Langmuir吸附等温线模型的理论饱和吸附容量分别达到了362.80、376.97和262.12 mg•g-1。在与多种离子共存的情况下，M-SBA-15、、MSTHC和MSAO- 2均对U(VI)具有较高的的吸附选择性。重复性实验表明，重复循环吸附实验4次后，M-SBA-15、、MSTHC和MSAO-2对U(VI)的吸附容量分别下降19.3%、2.2%和6.9%，说明三种材料均具有良好的可循环性。通过FT-IR和XPS对其吸附机理的结果表明，M-SBA-15、MSTHC和MSAO-2吸附U(VI)主要为与硅醇、硫醇基和偕胺肟基与铀酰离子的配位作用。本项目为磁性介孔硅/聚合物复合材料在吸附分离铀方面研究提供了思路，同时为将来该复合材料从放射性废液中分离和回收铀的实际应用提供数据支撑。