伴隨著核能開(kāi)發(fā)及核電的迅速發(fā)展和應(yīng)用,對(duì)鈾資源的需求矛盾也日益嚴(yán)峻,放射性廢水污染這一維系生態(tài)安全的問(wèn)題亦亟待解決。因此,開(kāi)展廢水中的鈾的富集分離材料及技術(shù)研究,不論是對(duì)于鈾資源回收利用,優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),還是生態(tài)環(huán)境凈化都具有重要意義。水熱炭因其熱穩(wěn)定性、抗輻射性和耐酸堿性能良好等優(yōu)勢(shì),是一種具有潛力的鈾吸附材料。但不足之處是水熱炭材料仍具有缺陷,如功能化基團(tuán)含量有限,吸附量不高和選擇性較差。本課題針對(duì)高吸附容量的水熱炭材料研發(fā)及應(yīng)用關(guān)鍵問(wèn)題,以葡萄糖為原料,開(kāi)展了水熱法結(jié)合接枝改性、官能團(tuán)化技術(shù)制備功能化水熱炭材料的研究,并對(duì)其吸附性能和吸附機(jī)理進(jìn)行了探索。主要內(nèi)容如下:1、以葡萄糖為炭源,膠原蛋白肽為官能團(tuán)配體,通過(guò)水熱法和化學(xué)接枝成功制備了膠原蛋白肽接枝水熱炭材料(HTC-COP),并將其用于水溶液中鈾的吸附研究。結(jié)果表明,在pH=6,溫度為328.15 K,初始濃度為160 mg/L時(shí),HTC-COP對(duì)U(Ⅵ)的最大吸附量為494.02 mg/g。HTC-COP對(duì)U(Ⅵ)的吸附過(guò)程能較好地用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)和Langmuir等溫模型來(lái)描述,即HTC-COP的吸附過(guò)程以單分子層的化學(xué)吸附為主導(dǎo),而且具有自發(fā)吸熱的性質(zhì)。選擇性吸附中共存離子對(duì)吸附無(wú)明顯影響,HTC-COP對(duì)U(Ⅵ)的最佳的吸附選擇性系數(shù)為80%,說(shuō)明HTC-COP對(duì)U(Ⅵ)的吸附具有高選擇性。通過(guò)多種表征方法對(duì)HTC-COP進(jìn)行分析可知,膠原蛋白肽為水熱炭表面引入了大量氨基和羧基,并提出可能的吸附機(jī)理為配體的羧基和氨基以及基體的羧基和羥基對(duì)鈾的配位絡(luò)合作用。2、以葡萄糖為炭源,單寧為功能單體,通過(guò)一步水熱法成功制備了酚羥基官能團(tuán)化水熱炭材料(BT-HTC),通過(guò)靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)研究了該材料的吸附效果。結(jié)果表明,在pH=6,溫度為328.15 K,初始濃度為140 mg/L時(shí),BT-HTC對(duì)U(Ⅵ)的最大吸附量為316.77 mg/g。經(jīng)過(guò)等溫吸附和動(dòng)力學(xué)模型分析可以發(fā)現(xiàn)BT-HTC對(duì)U(Ⅵ)的吸附過(guò)程適合用Langmuir等溫模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)加以描述。熱力學(xué)參數(shù)表明BT-HTC對(duì)U(Ⅵ)的吸附是可行的、自發(fā)吸熱的。共存離子對(duì)吸附無(wú)明顯影響,BT-HTC對(duì)U(Ⅵ)的最佳的吸附選擇性系數(shù)為87%,具有高選擇性吸附能力。BT-HTC具有較高的循環(huán)利用率,能夠重復(fù)使用。通過(guò)各種表征手段對(duì)吸附劑進(jìn)行了分析,BT-HTC表面富含酚羥基等活性官能團(tuán),主要的吸附機(jī)理為酚羥基對(duì)鈾的配位絡(luò)合作用。3、以葡萄糖為炭源,檸檬酸為功能單體,通過(guò)一步水熱法成功制備了羧基官能團(tuán)化水熱炭材料(CA-HTC),在對(duì)鈾的分離富集中表現(xiàn)出了優(yōu)異的吸附性能。結(jié)果表明,CA-HTC對(duì)U(Ⅵ)的最佳pH為5,在該條件下,當(dāng)溫度為328.15 K,初始濃度為140 mg/L時(shí),最大飽和吸附量為322.0 mg/g。CA-HTC對(duì)U(Ⅵ)的吸附過(guò)程能通過(guò)準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和Freundlich等溫模型來(lái)進(jìn)行更準(zhǔn)確的描述和分析,熱力學(xué)參數(shù)表明是CA-HTC對(duì)U(Ⅵ)的吸附是自發(fā)吸熱的熵增反應(yīng)。CA-HTC對(duì)U(Ⅵ)具有高分配系數(shù)和選擇性吸附系數(shù),說(shuō)明CA-HTC對(duì)(Ⅵ)具有優(yōu)異的親和力和選擇性。通過(guò)FTIR、EDX、XPS等技術(shù)對(duì)吸附劑進(jìn)行表征,分析出吸附機(jī)理為CA-HTC表面大量的羧基對(duì)鈾具有配位作用,能夠有效地將鈾吸附到CA-HTC表面。
【學(xué)位單位】：西南科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TL244;TQ127.11
【部分圖文】：

西南科技大學(xué)碩士學(xué)位論文（100MPa）來(lái)合成，相比之下水熱過(guò)程反應(yīng)溫和，不會(huì)破壞產(chǎn)物的理化特性，具有完全綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。此外，水熱炭通常為微球，具有完美的球形形貌，主要包含無(wú)定形炭結(jié)構(gòu)，具有突出的酸堿耐受性能和良好的耐高溫、抗輻射性能，又因其表面具有一定數(shù)目的含氧官能團(tuán)，便于進(jìn)一步化學(xué)修飾。由于其獨(dú)特的性質(zhì)，水熱炭材料受到了廣泛關(guān)注，不少科研工作者對(duì)其進(jìn)行了深入研究[23-24]。1.3.2 水熱炭的形成機(jī)理關(guān)于水熱炭的反應(yīng)機(jī)制至今并沒(méi)有確切的說(shuō)法，但目前普遍為人認(rèn)可的是 Lame等[25]所研究報(bào)道的包含成核和生長(zhǎng)兩個(gè)過(guò)程的 Lamer 增長(zhǎng)模型�；� Lamer 模型理論，Sun 和 Li[26]首先闡述了葡萄糖水熱炭微球的形成原理：當(dāng)反應(yīng)體系達(dá)到相應(yīng)溫度條件后，葡萄糖將脫水聚合而形成低聚物和芳香化合物。伴隨反應(yīng)進(jìn)程的推進(jìn)，一旦溶液達(dá)到臨界過(guò)飽和度，反應(yīng)形成的低聚物、芳香化合物則與含有羧酸基團(tuán)的大分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)再次脫水聚合，從而形成晶核。然后在溫度和壓力達(dá)到一定數(shù)值后，晶核間彼此交連聚合，最后形成水熱炭微球。

圖 2-1 HTC-COP 的制備示意圖Fig. 2-1 Scheme for the preparation of HTC-COP(1) 膠原蛋白肽（COP）的制備參照文獻(xiàn)[7875]中的方法用堿法水解鉻鞣制皮革廢料提取膠原蛋白肽。將 10 g 皮革顆粒放入燒瓶中，加入 2 g CaO 與 50 mL 超純水，加熱至 75 ℃攪拌 4 h 然后趁熱過(guò)濾，用 1:1 的鹽酸將濾液 pH 調(diào)節(jié)至中性，濃縮干燥，即得到粉末狀產(chǎn)物膠原蛋白肽。(2) 水熱炭微球的制備準(zhǔn)確稱(chēng)取 10 g 葡萄糖加入含有 40 mL 超純水的燒杯中，攪拌至葡萄糖完全溶解,將適量溶液轉(zhuǎn)移至不銹鋼反應(yīng)釜中（反應(yīng)釜內(nèi)襯容積的 70 %），密封好后放入 180 ℃恒溫干燥箱中水熱反應(yīng) 24 h。待冷卻至室溫后過(guò)濾，用乙醇和超純水洗滌至濾液無(wú)色、中性，將產(chǎn)物于 60 ℃真空干燥 12 h 即得到水熱炭微球（HTC）。將水熱炭微球置于馬弗爐內(nèi)空氣氣氛中 300 ℃煅燒 5 h，制得羧基化水熱炭微球（HTC-COOH）。(3) 膠原蛋白肽接枝水熱炭材料（HTC-COP）的制備將 1 g HTC-COOH 置于含有 50 mL 去離子水的燒瓶中，冰浴，攪拌至粉末分散均勻，先后加入 0.7 g EDC 和 0.3 g NHS 后攪拌 30 min，緩慢加入 0.5 g COP，繼續(xù)攪拌30 min 后移出冰浴，室溫下反應(yīng) 24 h。過(guò)濾并用超純水和乙醇洗滌數(shù)次，直至濾液呈

圖 2-2 HTC-COP 反應(yīng)機(jī)理圖Fig. 2-2 Reaction scheme for HTC-COP2.2.2 酚羥基官能團(tuán)化水熱炭材料（BT-HTC）的制備酚羥基官能團(tuán)化水熱炭材料（BT-HTC）的制備過(guò)程如圖 2-3 所示。準(zhǔn)確稱(chēng)取 萄糖，1 g 楊梅單寧于 100 mL 燒杯中，加入 44 mL 超純水，攪拌至完全溶解并混勻。將適量溶液轉(zhuǎn)移至不銹鋼反應(yīng)釜中（反應(yīng)釜內(nèi)襯容積的 70 %），密封好后放0 ℃恒溫干燥箱中水熱反應(yīng) 24 h。待冷卻至室溫后過(guò)濾，用乙醇和超純水洗滌至無(wú)色、中性，將產(chǎn)物于 60 ℃真空干燥 12 h，便得到酚羥基官能團(tuán)化水熱炭材BT-HTC）。同時(shí)分別單獨(dú)以葡萄糖和楊梅單寧為炭源水熱制備了葡萄糖水熱HTC）和單寧水熱炭（BTC）作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)組。
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