【摘要】：近年來,隨著工業(yè)化的快速發(fā)展,如鉛礦開采、鈾礦開發(fā)等,重金屬離子和放射性核素的釋放對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的危害也日益凸顯。進入到水環(huán)境介質(zhì)中的污染物毫無疑問會對水生生物、人類健康及生態(tài)體系造成潛在的威脅。同時污染物離子的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)形態(tài)與其遷移轉(zhuǎn)換、生物毒理性息息相關(guān)。利用簡單易行的吸附法開展吸附界面研究有利于更深層次的掌控污染物離子在環(huán)境介質(zhì)中的遷移規(guī)律,從而進一步對其進行有效的處理控制,最終達到降低對其環(huán)境系統(tǒng)危害的目的。經(jīng)過數(shù)十年的研究,應(yīng)用在環(huán)境凈化中的納米吸附劑材料種類及其吸附性能均獲得顯著發(fā)展。在此基礎(chǔ)上,科研工作者在不斷設(shè)計合成高性能環(huán)境友好型吸附材料的同時,也利用理論模型計算嘗試探索如何在分子層面上揭示污染物離子與吸附劑之間相互作用機制。石墨烯的發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)家們對二維(2D)材料的極大興趣,進而迎來了二維材料在電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等各個領(lǐng)域的發(fā)展機遇。2011年,新型2D類石墨烯結(jié)構(gòu)——金屬碳化物、氮化物和碳氮化物(MXene)被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)報道,并逐漸成為二維材料中的明星材料。得益于其獨特的結(jié)構(gòu)特性,高導(dǎo)電性和組分可調(diào)劑性而受到越來越多的關(guān)注,Mxene作為新一代納米材料在能源和環(huán)境催化領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。近年來,Mxene材料在水環(huán)境處理領(lǐng)域中也逐漸嶄露頭角。然而,Mxene在水環(huán)境處理中也存在一些局限性,如表面官能團較少(僅有少量的羥基官能團)、層間空間受限(低于2A)等,這些都不利于污染物離子的富集。傳統(tǒng)Mxene方法是利用氫氟酸刻蝕Ti3AlC2,在去除污染物離子的同時,難免會引入更高毒性的氟離子。此外,相關(guān)的理論計算研究較少,很難為進一步設(shè)計合成新型材料做出理論指導(dǎo)。鑒于以上缺點和局限性,本論文以幾類代表性Ti3AlC2基吸附材料作為研究對象,通過簡易的合成方法,實現(xiàn)了無氟化、豐富官能團、高穩(wěn)定性、具有良好的選擇性功能化的Mxene納米吸附劑的制備,并探究了其在處理水體污染物中的應(yīng)用,評價它們在環(huán)境體系中的物理化學(xué)行為。具體研究工作如下:(1)LDH功能化超薄Mxene(M-LDH)納米片對U(VI)和Eu(III)的選擇性吸附研究�？紤]到克服少層Mxene在放射性核素去除中應(yīng)用的缺陷,我們探究了 LDH功能化少層Mxene復(fù)合材料在放射性核素選擇性去除中的應(yīng)用。氫氟酸刻蝕得到多層Mxene材料在去除放射性核素的一個重要挑戰(zhàn)來自于其非常窄的層間空間(低于2人),這難免會阻礙了它與具有較大水合離子半徑的放射性核素的相互作用。利用有機物插層及連續(xù)超聲的方法實現(xiàn)了對多層Mxene材料的剝離,以獲得較大比表面,層間間距增大的少層Mxene材料。但這也帶來另一種不可避免的局限性,在水和溶解氧環(huán)境下,薄層納米片的穩(wěn)定性將會大大下降。因此,我們進一步結(jié)合層狀雙金屬氧化物(LDH)表面官能團多,離子交換能力強,對放射性核素較強的吸附能力的特點。通過水熱合成法,實現(xiàn)了 Mg-AlLDH對少層Ti3C2Tx納米薄片修飾,克服了在水和溶解氧環(huán)境下,少層Ti3C2Tx納米薄片表面官能團少、穩(wěn)定性差的局限性。進一步研究了其對放射性核素(U(Ⅵ)、Eu(Ⅲ))的高效捕獲,實現(xiàn)其對放射性核素高效、選擇性吸附。(2)實驗與理論計算層面研究刻蝕Ti3AlC2納米纖維和納米片對Pb(Ⅱ)的高效去除。上一個研究工作致力于設(shè)計功能化Mxene材料,以解決其穩(wěn)定性差、比表面積小、官能團少的局限性。傳統(tǒng)的氫氟酸刻蝕法會在水體環(huán)境中引入高毒性的氟離子,針對這一弊端,我們進一步利用無氟法制備,實現(xiàn)對Ti3AlC2基納米吸附材料的可控合成。用氫氧化鈉代替高毒性的氫氟酸作用刻蝕劑對Ti3AlC2進行刻蝕。通過調(diào)控堿(NaOH)的濃度,分別得到不同形貌的刻蝕Ti3AlC2納米線和納米片材料,實現(xiàn)了功能化含氧基團和無氟刻蝕Ti3AlC2材料的制備。論文以典型的重金屬離子Pb(Ⅱ)為研究對象,研究Ti3AlC2納米線和納米片對Pb(Ⅱ)的吸附性能。XPS分析揭示了外表面絡(luò)合和陽離子交換是刻蝕Ti3AlC2與Pb(Ⅱ)的潛在相互作用機制。結(jié)合DFT計算從分子層面模擬吸附劑與污染物相互作用機制,進一步證實利用新型無氟法刻蝕Ti3AlC2材料在廢水處理中大規(guī)模應(yīng)用的可行性。(3)基于以上無氟表面刻蝕Ti3AlC2制備工作的研究基礎(chǔ),以無氟制備及引入更多含氧官能團的角度為立足點,用Ti3AlC2為前驅(qū)體進一步采用簡單的氧化和堿化法制備了二維Ti3AlC2衍生鈦酸鹽納米復(fù)合材料。通過改變強堿的種類,制備不同形貌的海膽狀TAC衍生鈦酸鈉(T-NTO)和海帶狀鈦酸鉀(T-KTO),并利用紅外、拉曼、XPS等光譜表征對所得產(chǎn)物詳盡表征。利用批實驗實現(xiàn)了 T-NTO和T-KTO對Pb(Ⅱ)吸附性能的評價。在pH=5.0,T=298 K實驗條件下,T-NTO和T-KTO對Pb(Ⅱ)最大吸附容量,分別為328.9mg/g和248.3mg/g。結(jié)合FT-IR、Raman及XPS分析其吸附機理并探究了兩者吸附差異原因。由于具有更高的比表面積、更強的離子交換能力,所制備的T-NTO納米纖維對Pb(Ⅱ)展現(xiàn)了更好的吸附性能。此研究表明Ti3AlC2衍生鈦酸鹽納米復(fù)合材料具有無氟制備、吸附能力強等優(yōu)點,是一種很有前途用于水體重金屬離子污染修復(fù)的材料。
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移、控制及妥當(dāng)處理引起人類的廣泛關(guān)注。在核素循環(huán)鏈中，放射性核素會以各逡逑種形式（氣態(tài)、液態(tài)及固態(tài)）進入到大氣圈、水體環(huán)境圈等。而放射性核素是主要逡逑通過放射性廢水排放的途徑直接或者間接的進入到水環(huán)境體系中［９］（圖１－１）。逡逑鈾是核燃料中最常見的天然錒系放射性元素的之一，元素符號是Ｕ，原子序逡逑數(shù)９２，原子量２３８．０２８９［１１自然界中鈾的來源主要是鈾礦的開采、核試驗、放逡逑射性廢物不當(dāng)處置等活動。另外，鈾作為礦物的基本組成成分，會經(jīng)過頁巖、砂逡逑巖的自然風(fēng)化作用向環(huán)境體系中釋放。自然界中Ｕ具有３種天然同位素元素，分逡逑別是天然易裂變核素邋Ｕ－２３４邋（０．００５０°／ｃｒ￣０．００５９％）、核燃料邋Ｕ－２３５（０．７１９８％－０．７２０２％）逡逑和含量最多的Ｕ－２３８邋（９９．２７３９°／＾９９．２７５２％）。研究表明這三種鈾天然同位素的半衰逡逑１逡逑

華北電力大學(xué)博士學(xué)位論文逡逑成的配位鍵通常是可逆的，這就保證了邋ＭＯＦｓ具有高度有序的骨架多孔結(jié)構(gòu)、逡逑調(diào)的理化性質(zhì)等特性。此外，ＭＯＦｓ可以通過低成本、簡單的合成方法大規(guī)成。經(jīng)典的ＭＯＦｓ的比表面積一般在１０００？１００００ｍ２邋ｇＵ范圍內(nèi)，遠遠高于傳孔材料（沸石、碳等）的比表面積。ＭＯＦｓ具有的高孔隙率、大比表面積、易加結(jié)構(gòu)多樣性等優(yōu)點，使得ＭＯＦｓ作為新一代代表性吸附劑材料，并在有毒和性金屬離子污染治理中顯示了較高的吸附效率、展現(xiàn)了明朗的應(yīng)用前景。在數(shù)十年中，許多研[側(cè)嗽甭叫銑尚灤停停希疲蠛突冢停希疲蟮母春喜牧�，并水中诞�疚錚停擼擔(dān)顧櫞嚶牒朔狹舷喙氐慕鶚衾胱櫻郟叮ǎ擼叮常莘矯嬲故玖擻乓斕娜コ閱�。辶x，

本文編號：2696714