功能化介孔炭微球吸附铀的性能及机理研究

Recovery of uranium from the spent fuel is the planned path of nuclear fuel cycle technology in China.Therefore the sorption of uranium from water by an efficient and environment-friend is of scientific and realistic significance. In this project, the functional mesoprorous carbon spheres (FMCS) will be prepared by hydrothermal method via one-step with optimal templates, natural carbohydrate (starch,glucose and sucrose etc.) as carbon source and vinyl monomers containing specific functional groups as functionalization reagents. The effect of hydrothermal conditions on the adsorption properties and microstructures will be studied, and then the relationship between structures and sorption properties was explored. The sorption mechanism of uranium on the FMCS will be also confirmed by means of FT-IR, XPS and speciation analysis combined with sorption dynamic modle. Additionally, application research of processing uranium-containing wastewater by the FMCS will be investigated. The project will provide the fundamental and scientific basis for FMCS being a new type uranium separation-preconcentration material and radioactive pollution abatement.

从乏燃料中回收铀是我国既定的核燃料循环技术路线。因此，无论是从资源回收利用或是环境放射性污染控制的角度，以经济和环境友好地方式从水溶液中吸附铀都具有重要的科学意义和现实意义。本项目旨在通过优选模板剂，以天然碳水化合物（淀粉、葡萄糖和蔗糖等）为碳源，含特定官能团的乙烯基单体为功能化试剂，采用一步低温水热法制备功能化介孔炭微球。从宏观上研究水热工艺参数对功能化炭微球介孔微观拓扑结构和吸附性能的影响，从微观上研究功能化炭微球结构\形态与铀吸附性能之间的关系；通过FT-IR、XPS和形态分析等技术手段，结合吸附动力学模型，从分子水平上揭示功能化炭微球吸附铀的作用机理；开展功能化介孔炭微球处理实际含铀水溶液的应用研究。本项目的完成将为我国新型放射性核素分离富/集材料和环境放射性污染治理的研究提供重要的基础数据。

随着能源短缺、气候变化等严峻问题的出现，以清洁能源代替传统化石燃料是必然之选，核能作为清洁能源已成为能源发展的趋势。铀是核能发展的根本材料来源，但在开发利用铀资源过程中会产生大量含铀废水，吸附法是一种高效的分离富集方法，常用以处理含铀废水。有序介孔碳因比表面积大、孔隙率高和环境友好等优点常被用作吸附材料。但因表面官能团少限制了有序介孔碳在吸附方面的应用，因此将对铀有高配位能力的基团引入到有序介孔碳上，对开发新型吸附材料和处理含铀废水有重要意义。.本文以纳米级有序介孔碳球（MCNs）为基体材料，偕胺肟基团和磷酸基团为修饰基团，通过化学接枝法将基团接枝到介孔碳球表面，合成偕胺肟化纳米级有序介孔碳球（MCNs-AO）和磷酸化纳米级有序介孔碳球（MCNs-PO4）。.SEM、TEM和N2吸附-脱附证明功能化后纳米级有序介孔碳球形貌未变化，仍保留有序介孔结构；FT-IR、XPS、Zeta电位和元素分析表明偕胺肟基团和磷酸基团成功接枝到介孔碳球表面，接枝量分别为1.79和1.86 mmol/g。.采用静态吸附实验研究pH值、接触时间、初始浓度和温度等因素对吸附的影响，MCNs-AO和MCNs-PO4对铀(VI)的最佳吸附pH值分别为5.5和6.0；均能在100 min内达到吸附平衡，符合准二级动力学模型；铀(VI)的吸附符合Langmuir吸附等温模型，单分子层饱和吸附容量由56.18 mg/g（MCNs）提高到667.67（MCNs-AO）和502.51 mg/g（MCNs-PO4）；热力学参数ΔH>0，ΔG<0，说明吸附均是自发吸热的过程。.可用1.0 mol/L HCl溶液和1.0 mol/L HNO3溶液高效洗脱MCNs-AO和MCNs-PO4，洗脱率分别为94.07%和93.19%；重复使用MCNs-AO 6次，MCNs-PO4 5次后吸附量仍能达到90%以上；离子选择性表明，引入的基团能有效的提高纳米级有序介孔碳球对铀(VI)的选择性吸附能力。.动态柱实验结果表明，随着Ca2+浓度、CO32-浓度和流速的增大，穿透曲线的穿透点逐渐减小。动态吸附符合Yoon-Nelson模型和Thomas模型，MCNs-AO和MCNs-PO4的可渗透反应墙（PRB）柱在不同条件下的最大吸附量是纯土柱的4.0~6.0倍。