氧化石墨烯功能材料的制备及其对钍离子选择性吸附研究

With the development of thorium-based nuclear fuel, it is essential for the separation and enrichment of thorium ions from mining and radiated Th-232 as well as the nuclear industry waste liquid. Graphene oxide as carbon material due to their excellent high surface area, environmental friendly, stability and the abundant oxygen-containg functinal groups was selected as the fine solid phase extractants. Based on the thorium speciation of liquid and complex theory,a series of functionalized graphene oxide were prepared by the introduction of inorganic oxide and organic functional ligand into the graphene oxide and the relationships between between the structure of graphene oxide and the selective adsorption performance for thorium in strong acidic solutions were studied,then the adsorptive material for selectively adsorpting thorium with high adsorptive capacity in acidic solution was obtained.On the basis of above,the solid separation system for key element, which are safe,economical and practical, were developed to solve the problem on low adsorption capcity and bad selectivity.this researches will be of some guidance significance to the preparation of novel extractant for the separation and enrichment of thorium element from acidic aqueous solution and provide the theoretical foundation to improve the key technology level of nuclear fuel cycle and nuclear waste disposal.

随着钍基燃料堆的开发，矿石中钍的分离和纯化，钍堆中铀与钍的分离以及含钍的放射性废物的处理问题，是需解决的关键问题。而固相萃取剂已经成为分离手段的重要补充。碳基材料由于稳定性高，比表面大，环境友好而成为研究的热点。本研究以碳基材料-氧化石墨烯为基底，根据液相中钍离子的化学种态，结合配位化学理论选择无机氧化物及有机功能分子对氧化石墨烯进行选择性功能化修饰，合成含有丰富的高选择性表面活性位点，研究其对钍的选择性吸附，探讨所加入的无机氧化物及有机官能团与材料吸附性能之间的关系及其相应的吸附机理;筛选出在高酸度条件下高容量高选择性吸附钍的吸附材料。在此基础上，探索建立适合关键放射性核素系统分离的、安全、经济、高效、有应用前景的固相萃取分离体系。为解决传统吸附分离材料对溶液中核素离子选择性差、吸附容量低等瓶颈问题，提升我国在核燃料循环相关关键环节的技术水平提供有价的理论和技术支撑。

放射性核素的分离回收，是乏燃料后处理及核能发展与应用相关领域急需解决的关键问题。其中，关键核素钍、铀、碘的分离对核燃料的制备、放射性废物的处置至关重要。固相萃取剂已经成为分离手段的重要补充，并且碳基材料由于稳定性高，比表面积大，环境友好而备受关注。本项目采用改进的Hummers法制备氧化石墨，并创新性的提出浓盐酸沉降法对其进行纯化后处理以简化工艺并制备高质量氧化石墨，然后对其进行超声辅助剥离得到单层氧化石墨烯。在此基础上，以氧化石墨烯为基质并对其进行功能化，得到了数个用于钍、铀吸附及分离的新型吸附材料。同时，根据领域发展需要及放射化学学科研究前沿，开展了超分子自组装材料、新型双三酰胺萃取剂及共价有机框架材料的研究。采用全面及先进的表征手段及计算模拟，对所得产物的形貌、结构、组成等进行了详尽的分析。通过系列实验，详细的研究这些不同类型的新材料对钍、铀、碘的吸附或萃取性能以及选择性，探究了吸附或萃取过程中的等温线、动力学、热力学特性，并结合理论计算，探索了相关的吸附或萃取机制，为将这些材料用于放射性废液或废物中关键核素的提取和回收积累了大量的数据和经验指导。本项目研究将为以上材料的实际应用和新型高效核素捕获材料的设计合成提供策略，为乏燃料后处理流程中和环境放射性污染水体的核素分离、去除技术和工艺发展、革新奠定理论基础。