表面改性MnO2纳米线吸附U(VI)的性能和机理研究

With the rapid development of nuclear power, the problem of geological disposal of radioactive waste is becoming more and more serious. Uranium (235U) is the main fuel of nuclear power in the whole world, and various forms of uranium salts are one of the main components of nuclear waste. A large number of studies have shown that manganese dioxide nanomaterials have good adsorption ability on heavy metal ions, but the study on the adsorption of radionuclides is rarely reported. In this project, a series of surface modified MnO2 nanomaterials MnO2@M (M = PDA, NH2, PoPD, TiO2 or PVP) will be designed and synthesized, and their adsorption properties for U(VI) will be studied. The effects of reaction time, pH value, ionic strength, temperature and coexisting ions on the removal of U(VI) by MnO2@M will be systematically investigated through static adsorption experiments, and the adsorption model will also be established. According to the adsorption kinetics and thermodynamic models, combined with various microscopic characterization techniques (XRD, XPS and EXAFS), we will explore the interaction mechanism between MnO2@M and U(VI) at molecular level. The purpose of this project is to screen new surface modified MnO2 nanomaterials having practical application value, and to provide theoretical basis and data support for radionuclide pollution management.

随着核电的快速发展，放射性废弃物的地质处置问题日趋严重。铀（235U）是我国乃至世界核电的主要燃料，各种形式的铀盐是核废料的主要成分之一。大量研究表明二氧化锰纳米材料对重金属离子有良好的吸附效果，但用于吸附放射性核素的研究却鲜有报道。本项目设计合成一系列表面改性的MnO2纳米材料MnO2@M（M＝PDA、NH2、PoPD、TiO2或PVP），并展开其对U(VI)的吸附性能研究。通过静态吸附实验系统探索反应时间、pH值、离子强度、温度、共存离子等对MnO2@M去除U(VI)影响，确立吸附模型。基于吸附动力学和热力学模型，结合各种微观表征技术(XRD、XPS和EXAFS等)，从分子水平上探究MnO2@M与U(VI)的相互作用机制。本项目旨在筛选出具有实际应用价值的新型表面改性MnO2纳米材料，为放射性核素污染治理提供理论依据和数据支持。

作为最重要的核燃料，铀在放射性核废水中大量存在，对生物以及生态平衡构成严重的潜在威胁。开发具有高吸附容量、高吸附效率的功能性纳米粒子是处理放射性含U(VI)废水的重要课题之一。二氧化锰(MnO2)是一种环境友好型金属氧化物，在放射性核素的去除应用上展现出巨大的潜力。结合有机或无机材料对MnO2进行改性以改善其吸附性能已经引起了人们的广泛关注。本项目利用简单的水热法制备了α-MnO2纳米线，通过简单的合成方法制备了α-MnO2与有机聚合物、金属氧化物、石墨烯类物质、无机粘土矿物或多糖类物质相复合的吸附剂(MnO2@M)用于废水中U(VI)的吸附。研究的材料主要有：（1）利用聚多巴胺(PDA)涂覆α-MnO2纳米线合成α-MnO2@PDAs复合材料；（2）将锐钛矿型二氧化钛(TiO2)固定在α-MnO2纳米线的表面上，制备了TiO2改性的MnO2 (MnO2@TiO2)；（3）通过简单的超声处理工艺，将α-MnO2纳米线与氧化石墨烯(GO)结合在一起，合理地构造了互穿的三维MnO2@GO复合材料(MGs)；（4）构建了由α-MnO2和水滑石(LDHs)组成的复合吸附剂α-MnO2@LDHs；（5）通过在α-MnO2 表面包覆壳聚糖制备新型纳米复合材料α-MnO2@CTS。项目详细考察了MnO2@M在富集U(VI)方面的影响因素、实际应用潜力并探讨了其与U(VI)的相互作用机理，总结比较了不同种类改性材料对α-MnO2性质的影响和增强α-MnO2吸附性能的机制。本项目通过简单的方法合成了性质优异的纳米复合材料MnO2@M，制得的MnO2@M集合了单一α-MnO2和改性物质各自的优点，显著提升了吸附性能，对于含U(VI)废水的处理具有潜在的应用价值。通过比较不同种类改性物质对α-MnO2性质和吸附性能的影响，发现改性物质的引入对吸附剂的分散性、比表面积、官能团含量有一定的改善，-OH、-COOH等基团对U(VI)表现出较强的亲和力，对于U(VI)去除量的增加做出了巨大贡献，相较于比表面积的增加，特异性基团的大量引入更有利于吸附效果的增强。