基于同步辐射XAFS技术研究偕胺肟化聚离子液体的海水提铀机制

Nowadays the demand for uranium is greatly increasing with the development of nuclear industry. It is of strategic importance to develop sorbents for uranyl extraction from seawater to guarantee future uranium resources. The current researches are focused on uranyl extraction using inorganic sorbents by Coulomb interaction and organic polymer materials by coordination. However, the adsorption is commonly slow because of trace content of uranyl ion in seawater, and is badly selective due to the large amount of other co-existed metal ions. . In this project, we combined positive charge and amidoxime group to design and synthesize the poly(ionic liquid)-grafted nonwoven fabric for uranium extraction from seawater.The adsorption mechanism and relationship between the structure and adsorption property of the functional materials will be investigated by X-ray absorption fine structure (XAFS) based on synchrotron radiation. The uranium negative complex would be adsorbed to the materials by positive charges without interference of other metal ions, and the coordination may occur with adjacent ligands, which may lead to fast and selective adsorption. Therefore, this work may be expected to obtain the materials with high-efficacy for uranium extraction from seawater.

当前随着核工业的发展，人类对铀原料的需求大幅增长。若能将海水中铀元素有效分离，对于保证未来铀资源的供应具有重要的战略意义。现有的研究主要集中在无机材料和有机高分子材料方面，分别通过电荷的库仑力及配体基团的络合作用进行吸附。虽然取得了一定的进展，但由于海水中铀的浓度很低，吸附速率较慢；共存的金属离子常常导致选择性差。本项目创新地利用配体和电荷的协同作用，设计合成了偕胺肟化聚离子液体接枝无纺布材料，用于海水中三碳酸铀酰阴离子的吸附。利用基于同步辐射的X射线吸收谱学技术，从分子水平揭示聚合物结构对铀元素吸附性能的影响规律，探究吸附机理。在聚合物阳离子库仑力作用下，三碳酸铀酰阴离子被吸附过来与邻近偕胺肟基团发生络合，同时减少了其它金属离子对吸附过程的干扰；而且其它阴离子不能与配体结合，期望实现快速选择性吸附。因此，通过本项目的研究，预期可以建立从海水中高效分离铀元素的新型材料体系。

当前随着核工业的发展，人类对铀原料的需求大幅增长。若能将海水中铀元素有效分离，对于保证未来铀资源的供应具有重要的战略意义。近年来，海水提铀取得了很大进展，但仍存在一些挑战，如海水中铀的浓度很低，共存的金属离子多，导致吸附速率低及选择性差，以及微生物的黏附也会降低吸附容量等。本项目创新地利用配体和电荷的协同作用，设计合成了一系列带有正电荷和配体的吸附材料用于海水中三碳酸铀酰阴离子的吸附。在聚合物阳离子库仑力作用下，三碳酸铀酰阴离子被吸引过来与邻近偕胺肟基团发生络合，加快了吸附过程，同时减少了其它金属阳离子对吸附过程的干扰，实现了快速选择性吸附，建立了从海水中高效分离铀元素的新型材料体系。为了解决海水提铀中铀与钒的竞争吸附问题，我们在带正电荷材料上引入了离子印迹技术。通过离子印迹可在材料表面形成与目标离子相匹配的空穴，借助空穴中配体对铀的亲和力，选择性地提取海水中的铀。同时研究了对铀具有更高选择性的肟基吸附剂，其选择性远高于钒和其他海水中常见的阳离子，实现了模拟海水中对铀的选择性吸附。为了解决微生物黏附的问题，我们把具有抗生物粘附的胍基修饰到无纺布材料表面，带正电胍基的引入不仅解决了生物粘附问题，还提高了对铀的选择性及吸附速率。在吸附机理研究方面，利用X射线光电子能谱仪（XPS）、X射线吸收精细结构谱（XAFS）和密度泛函理论（DFT）探究吸附机理，从分子水平揭示不同配体对铀酰离子的配位模式，为溶液环境中铀酰化合物的配位性质研究提供了思路。总之，本项目不仅研究了一系列具有高选择性的新型吸附剂用于海水提铀，同时研究了溶液中铀酰离子与配体之间的作用机理，为海水提铀领域材料的发展打下了一定的基础。