本文關(guān)鍵詞： 功能化 水滑石 鈾(Ⅵ) 吸附 機(jī)理 水熱法　出處：《東華理工大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：水滑石粘土礦物(LDHs)因其具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性、獨(dú)特的“記憶效應(yīng)”、可交換的層間陰離子及開放的多孔結(jié)構(gòu)而被廣泛應(yīng)用于納米催化、能源存儲(chǔ)、環(huán)境修復(fù)及傳感等領(lǐng)域,特別是在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域因其天然存在、清潔廉價(jià)等特征應(yīng)用于有機(jī)染料、重金屬離子及放射性污染物的去除與降解。但由于粘土礦物耐酸性差、表面含氧官能團(tuán)種類少等瓶頸制約了其在污染物處理中的應(yīng)用,為此,本論文從設(shè)計(jì)、組裝富含多種官能團(tuán)的高耐酸性水滑石功能材料出發(fā),先后制備了甘油改性的棒狀鈣/鋁水滑石(Ca/Al LDH-Gl)和絮狀鎳/鋁水滑石(Ni/Al LDH-Gl)、棒狀三元鈣-鎂-鋁系列水滑石(Ca-Mg-Al-LDH)及其衍生物(Ca-Mg-Al-LDOx)和石墨類氮化碳復(fù)合水滑石材料(g-C3N4@Ni-Mg-Al-LDH),擬克服LDHs在放射性核素修復(fù)中的應(yīng)用瓶頸。采用不同的表征技術(shù)(如SEM、TEM、元素Mapping、BET、EDS、FT-IR、XRD和XPS等)分別解析功能化后LDHs的理化性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu);借助先進(jìn)的EXAFS技術(shù)和DFT理論計(jì)算探索了LDHs對(duì)溶液中U(Ⅵ)的去除機(jī)制和反應(yīng)機(jī)理,以批量吸附實(shí)驗(yàn)為手段,系統(tǒng)模擬不同環(huán)境條件下(如固液比、pH、離子強(qiáng)度、接觸時(shí)間、溫度和C[CO_3~(2-)]等)U(Ⅵ)的吸附行為和去除效果。采用一步水熱合成技術(shù)制備Ca/Al LDH-Gl和Ni/Al LDH-Gl,其表面具有豐富的含氧官能團(tuán)(如C-O、O-C=O和C=O),提供了足夠的活性位點(diǎn)和反應(yīng)界面。由Sips等溫模型可知在298.15 K時(shí)Ca/Al LDH-Gl對(duì)U(Ⅵ)的飽和吸附容量達(dá)266.5mg·g~(-1),顯著高于Ni/Al LDH-Gl(142.3 mg·g~(-1)),主要由于Ca/Al LDH-Gl表面具有更多的含氧官能團(tuán)和高活性“Ca-O”鍵。EXAFS結(jié)果證明吸附過程中穩(wěn)定的鈾酰內(nèi)層絡(luò)合物的形成是由于化學(xué)吸附而不是還原反應(yīng),體系中的鈾未從U(Ⅵ)轉(zhuǎn)變?yōu)閁(IV)。DFT計(jì)算表明Ca/Al LDH-Gl和Ni/Al LDH-Gl對(duì)U(Ⅵ)的吸附主要通過氫鍵和靜電相互作用結(jié)合。在較低C[CO_3~(2-)]濃度下(C[CO_3~(2-)]0.04 mol·L~(-1)),Ca/Al LDH-Gl對(duì)其依賴性較高,即實(shí)際修復(fù)應(yīng)用中應(yīng)避免CO_3~(2-)的參與。通過水熱合成與高溫煅燒技術(shù)制備棒狀Ca-Mg-Al-LDH和Ca-Mg-Al-LDDx(x:200、300、400、500和600°C),不同吸附劑對(duì)U(Ⅵ)的去除能力可通過改變煅燒溫度進(jìn)行調(diào)控,不同材料對(duì)U(Ⅵ)的單分子層飽和吸附容量順序?yàn)?Ca-Mg-Al-LDO500(486.8mg·g~(-1))Ca-Mg-Al-LDO600(373.4 mg·g~(-1))Ca-Mg-Al-LDO400(292.5 mg·g~(-1))Ca-Mg-Al-LDO300(260.0 mg·g~(-1))Ca-Mg-Al-LDO200(223.5 mg·g~(-1))Ca-Mg-Al-LDH(132.5 mg·g~(-1))。其主要由于煅燒后的Ca-Mg-Al-LDDx具有獨(dú)特的“記憶效應(yīng)”、納米“尺寸效應(yīng)”和不同含量的金屬-含氧鍵(Ca-O、Al-O和Mg-O),動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)研究表明吸附過程屬于化學(xué)吸附且為自發(fā)、吸熱過程。借助兩步水熱聚合和一步高溫煅燒技術(shù)制備網(wǎng)格狀g-C3N4@Ni-Mg-Al-LDH復(fù)合材料,復(fù)合前后對(duì)比發(fā)現(xiàn):g-C3N4@Ni-Mg-Al-LDH(99.7 mg·g~(-1))對(duì)U(Ⅵ)的最大吸附容量約為單體Ni-Mg-Al-LDH(59.8 mg·g~(-1))的1.5倍,約為單體g-C3N4(31.1mg·g~(-1))的3.0倍,表明復(fù)合后的材料因不同官能團(tuán)的協(xié)同作用提高了對(duì)鈾酰離子的絡(luò)合能力。在整個(gè)pH范圍內(nèi)(2.0pH11.0),g-C3N4@Ni-Mg-Al-LDH對(duì)U(Ⅵ)的吸附均依賴于離子強(qiáng)度的變化,表明吸附過程主要以外層表面絡(luò)合或離子交換為主。動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)研究結(jié)果表明復(fù)合前后的材料對(duì)U(Ⅵ)的吸附均屬于化學(xué)吸附而不是物理吸附,且g-C3N4@Ni-Mg-Al-LDH對(duì)U(Ⅵ)的吸附屬于自發(fā)、吸熱過程,提高溫度有利于反應(yīng)的進(jìn)行。本文分別從宏觀、微觀和分子水平等角度對(duì)LDHs復(fù)合材料吸附U(Ⅵ)的環(huán)境行為和作用機(jī)理進(jìn)行了探討和分析,合成的系列LDHs功能材料有望應(yīng)用于放射性核素的分離與富集,為功能復(fù)合材料的制備和污染物修復(fù)提供參考依據(jù)。
[Abstract]:In this paper , the physical and chemical properties and microstructure of LDHs were studied by means of advanced EXAFS technique and DFT theory . The results showed that the adsorption capacity of the modified LDHs was 266.5 mg 路 g ~ ( -1 ) , which was significantly higher than that of Ni / Al LDH - G1 ( 142.3 mg 路 g ~ ( -1 )) .

【學(xué)位授予單位】：東華理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：X591

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1456009