壳聚糖模板法制备氧化镁基多孔材料及其铀吸附特性研究

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人类对能源需求的日益增长使得核能得到了迅速的发展,但是伴随而来的核污染严重影响到了生态环境以及人类的生命安全。其中以铀(U(Ⅵ))为主的放射性核污染物往往存在于受污染的地下水中,造成了很严重的环境问题。因此,高效地去除水中的U(Ⅵ)成为了当今热点。在常用到的含U(Ⅵ)废水的处理技术中,吸附法因其操作简单、具有一定经济效益,且吸附剂种类多、来源广泛等优势而被广泛应用。在已有的吸附剂材料中,氧化镁具有较高的等电点而得到了广泛的关注。但同时氧化镁也具有分散性差以及循环性能差等的缺点从而影响对U(Ⅵ)的吸附效果。本论文针对于这些缺点对氧化镁进行了相应的改善,具体工作如下:(1)针对氧化镁分散性差的缺点,将硝酸镁、氯化镁和硫酸镁作为金属前驱体,壳聚糖为模板剂,采用“冷冻干燥-高温煅烧”的制备技术,制备了三种氧化镁材料(Mg O-N,Mg O-Cl,Mg O-S)。对氧化镁材料进行了SEM、FTIR及XRD等表征测试,结果表明三种氧化镁材料通过高温煅烧后仍能保持三维网状结构,其中Mg O-N具有比Mg O-Cl和Mg O-S更好的三维空间结构。通过设计在不同条件下(溶液的p H、接触时间、U(Ⅵ)的初始浓度和不同竞争离子)的吸附实验来探究三种氧化镁材料对U(Ⅵ)的吸附性能。同时采用不同的动力学模型(准一级、准二级吸附动力学模型)和不同的等温吸附模型(Langmuir和Freundlich等温吸附模型)探讨其对U(Ⅵ)的吸附行为。实验结果表明,Mg O-N比Mg O-Cl和Mg O-S达到吸附平衡的时间更短,平衡时间为100分钟,并且吸附动力学拟合更符合准二级动力学模型;同时,在最佳条件下,Mg O-N对U(Ⅵ)有比Mg O-Cl和Mg O-S更大的吸附量,最大吸附量达到1061.8 mg·g-1,且实验数据更加符合Langmuir等温吸附模型,因此,氧化镁材料对U(Ⅵ)的吸附过程属于单层化学吸附。此外,研究发现在宽范围的p H值下,Mg O-N表现出对U(Ⅵ)具有较好的吸附效果。结合和XPS分析,其吸附机理为Mg O-N对U(Ⅵ)的静电吸引及络合作用。(2)针对氧化镁材料循环再生性差的缺点,以硝酸镁、硝酸铝为金属前驱体,壳聚糖为模板剂,采用“冷冻干燥-高温煅烧”的制备技术,通过设计不同镁铝用量比例,制备出三种不同的镁铝复合氧化物(Al/Mg-1、Al/Mg-2和Al/Mg-3)。多种表征测试表明,Al/Mg-3具有更好的结构稳定性,经过高温煅烧后仍能保持良好的三维网络结构。同时这三种镁铝复合氧化物也通过一系列不同条件下(溶液的p H、接触时间、U(Ⅵ)的初始浓度和不同竞争离子)的吸附实验对U(Ⅵ)的吸附性能进行了相关研究,结果表明,在最佳条件下,Al/Mg-3具有更好的吸附效果,对U(Ⅵ)的最大吸附容量为1046.9mg·g-1。Al/Mg-3对U(Ⅵ)的吸附过程符合准二级吸附动力学模型以及Langmuir等温吸附模型,吸附过程也属于单层化学吸附。Al/Mg-3在经历了五次循环后,对U(Ⅵ)的吸附效率超过了92.5%,表明Al/Mg-3具有良好的循环再生性能。对其吸附机理的研究表明,Al/Mg-3通过静电吸引和其表面含氧官能团与U(Ⅵ)的络合作用实现对U(Ⅵ)的高效吸附。本论文成功地采用了“冷冻干燥-高温煅烧”的制备技术合成出了具有良好分散性和循环再生性的镁铝复合氧化物,这种材料在含U(Ⅵ)废水的处理上展现出优异的吸附性能。
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