生物质基铀吸附材料的制备及性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 王莹 |
| 答辩日期 | 2021-06-01 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院过程工程研究所 |
| 导师 | 李望良 |
| 关键词 | 铀,吸附,生物质基材料,海水提铀,含铀废水处理 |
| 英文摘要 | 随着社会的发展和科技的进步，能源短缺问题日益严峻，其中无温室气体排放的核能发电成为一种潜在的解决方案。为了满足核能发电的需求，铀矿资源的开采和铀资源的开发成为其中的关键。但是，铀矿资源的开采和加工过程中存在着严重的铀污染问题，会产生大量含铀废水。同时，如何高效绿色的获取铀资源变得至关重要，所以，“海水提铀”成为一个具有前瞻性和挑战性的课题。含铀废水的处理和海水提铀技术的关键，在于开发高效的吸附分离材料。本文以天然生物质基材料（如壳聚糖、纤维素等）为原料，通过接枝改性、交联和非溶剂致相分离等方法制备了一系列高效、绿色、环保、可循环利用的生物质基铀吸附材料。主要工作结论如下：(1) 用非溶剂致相分离方法制备了具有均匀的三维纤维网络结构的壳聚糖膜，并将其用于废水中铀的深度吸附去除。采用碱/尿素低温冷冻技术溶解壳聚糖，以不同浓度的乙醇水溶液为凝固浴，制备壳聚糖膜，研究了凝固浴对膜结构的影响。在乙醇浓度为80 vol%的乙醇水溶液中得到具有特殊的三维互穿网络结构的壳聚糖膜，在pH = 5.0、初始浓度为10 ~ 100 mg L-1的含铀水溶液体系中，最大吸附量达到196.74 mg g-1，吸附效果是具有封闭胞孔状结构的壳聚糖膜的2倍。静态吸附数据与Langmuir吸附等温线吻合较好，相关系数高达0.967，表明吸附过程以均相单层吸附为主。吸附动力学符合拟二级动力学模型，说明吸附过程中的控制步骤是化学吸附。全反射红外光谱法（ATR-FTIR）和X-射线光电子能谱（XPS）的分析结果表明，壳聚糖膜与铀离子的吸附机理与壳聚糖膜表面氨基基团的螯合作用和羟基基团的配位作用有关。(2) 为了提高吸附剂的吸附选择性，以纤维素纤维为基底，通过接枝聚合和胺肟改性的方法制备了胺肟改性的纤维素纤维吸附剂，并将其用于海水提铀的有关研究。静态吸附实验结果表明，在pH = 5.0、初始浓度为2 ~ 20 mg L-1的低浓度含铀水溶液体系中，胺肟改性的纤维素吸附剂对铀的吸附能力达到52.88 mg g-1。吸附数据与Langmuir吸附等温线拟合的相关系数高达0.989，说明偕胺肟基纤维素吸附剂对铀的静态吸附过程以均相单层吸附为主，吸附在60分钟内接近平衡，而且吸附数据符合拟二级动力学方程（R2 = 0.998），化学吸附过程是主要控制步骤。ATR-FTIR和XPS光谱的分析结果表明，铀的吸附机制归因于铀酰配合物与胺肟基团的螯合反应，每个铀酰离子UO22+ 会与两个胺肟基团发生螯合配位，构成螯合配位模型。(3) 为提高胺肟改性的纤维素纤维吸附剂的利用率，运用湿法成网技术，制备了胺肟改性的纤维素纤维膜。研究了含铀溶液初始浓度（4 ~ 14 mg L-1）、流量（2 ~ 4 ml min-1）和膜层数（1 ~ 3层）对动态过滤吸附效果的影响，动态过滤实验发现，具有低浓度（4 mg L-1）、低流量（2 ml min-1）和高的膜层数（3层）的过滤体系具有更多的穿透时间（高于400分钟）和更好的吸附效果。动态过滤研究结果表明，Dose-Response model预测的动态过滤系统的穿透曲线与实验数据最相符，拟合曲线的相关度在0.99左右，说明动态吸附过程由化学吸附控制。胺肟改性的纤维素纤维膜具有优异的再生性能，在5次吸附-脱附循环实验后，其吸附效率仍保持在90%以上。在模拟海水实验中，连续处理10.0 L模拟海水后，胺肟改性纤维素对铀的吸附量达到1.22 mg g-1。(4) 为了开发新型的三维纤维素基吸附材料，构建了多孔纤维素气凝胶铀吸附材料。在pH = 5.0、初始浓度为5 ~ 80 mg L-1的含铀水溶液体系中，纤维素气凝胶材料对铀的饱和吸附量达到440.60 mg g-1，吸附在100分钟内达到平衡。动态过滤实验表明，将多孔纤维素气凝胶材料放到1 L（10 mg L-1）的含铀水溶液中连续性动态循环吸附后，其吸附量高达194 mg g-1。通过0.1 M的稀硝酸溶液进行再生，纤维素气凝胶在经过5次吸附-脱附循环后，吸附量仍保持在120 mg g-1以上，再生效率也保持90 %以上。在1 L（1 mg L-1）含有相同浓度共存离子的含铀水溶液中的竞争吸附实验结果表明，多孔纤维素气凝胶对铀的选择性最高，吸附量达到15 mg g-1。ATR-FTIR、XPS和扩展X射线吸收谱精细结构（EXAFS）分析结果表明，纤维素气凝胶材料与铀的吸附机理主要是铀酰配合物与气凝胶材料表面的羧基官能团之间的配位作用，每个铀酰离子络合物（UO22+）会与两个羧基基团发生配位作用，构成配位模型。综上所述，天然生物质基材料（如壳聚糖、纤维素等）具有成本低、可再生、亲水性好、表面富含大量活性基团等优点。本文用天然生物质基材料作为基底，运用非溶剂致相分离法、接枝共聚法、化学交联法制备了具有三维纤维结构的壳聚糖膜、胺肟改性的纤维素纤维膜以及纤维素气凝胶等吸附材料，为高效、低成本、可再生循环的天然生物质基-铀吸附材料的设计和开发提供了新的思路。 |
| 源URL | [http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/60818]  |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王莹. 生物质基铀吸附材料的制备及性能研究[D]. 中国科学院过程工程研究所. 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：过程工程研究所
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