低浓度含铀U(Ⅵ)废水的光催化还原技术和机理研究

Photocatalytic reduction heavy metal is a kind of high efficient, mild reaction conditions and no secondary pollution, which is the research focus in recent years. Clay minerals have widely distributed and low-the price, which own large specific surface area, high porosity and good heat resistance. Clay mineral as composite carrier had been extensively applied in the field of environment protection and photocatalysis. The TiO2 photocatalytic reduction efficiency and the visible light response of radioactive uranium U (Ⅵ) is not highits, thus biological tail leaching of "721"uranium mine in jiangxi province as the target pollutants, and the visible-light response photocatalyst clay composite will be synthesized, optimized and tunable microstructure, and their performance in photo- reduction of uranium U (Ⅵ) will be systematically investigated in this project. The process conditions of photocatalytic reduction will be optimizing; the degradation kinetics, stability and the path of reduction will be discussed. The deactivation and the regeneration mechanism of photocatalytic material will be systematically investigated in this project. The results of this work are expected to reveal photocatalytic reduction mechanism of uranium U (Ⅵ) by the photocatalytic materials. This project could form a basis for the development of a novel effective water treatment technology to address the contamination of uranium U (Ⅵ). It provide a certain theoretical basis to deal with waste water of heavy metal uranium U (Ⅵ).

光催化还原重金属技术是一种高效、反应条件温和、无二次污染的技术方法，是近几年研究的热点。粘土矿物分布广泛，价格低廉，同时具有比表面积大、孔隙率高、耐热性好等特点，以粘土矿物为载体复合催化剂已广泛应用在环保催化领域。针对目前TiO2催化剂对放射性重金属铀U(Ⅵ)的光催化还原效率不理想以及可见光利用率低等问题，本项目拟以江西“721”铀矿生物浸矿尾液为研究对象，围绕太阳光粘土复合光催化材料的制备和优化、微结构调控、光催化还原重金属铀U(Ⅵ)还原效率及还原机理等方面展开研究：优化光催化还原技术的工艺条件；深入探讨重金属铀U(Ⅵ)在光催化还原中的还原动力学、稳定性和还原路径；研究光催化材料失活和再生机制。预期成果可揭示粘土复合光催化材料光催化还原铀U(Ⅵ)的还原机制，并为去除放射性重金属铀U(Ⅵ)提供高效环保的水处理技术，为解决目前含重金属铀U(Ⅵ)废水处理难问题提供一定的理论依据。

本项目主要围绕复合光催化材料的制备、微结构调控、光催化还原低浓度U(Ⅵ)效率及还原机理等方面展开研究。针对目前TiO2催化剂对低浓度铀U(Ⅵ)的光催化还原效率不理想以及可见光利用率低等问题，本项目以吸附性强的无机载体（累托石、膨润土、氧化石墨烯等）为光催化剂基体，通过简单易行的溶胶凝胶法或化学沉淀法等制备一系列高稳定性、高催化活性的可见光响应复合光催化材料，如：ZnO-累托石、Fe2O3-氧化石墨烯、In2O3-膨润土、Ag3PO4-累托石。在可见光光照下，所制备的复合光催化材料对低浓度U(Ⅵ)以及典型有机污染物具有很好的氧化还原活性。通过多种微观表征分析和第一性原理计算推导光催化反应的可能机制和路径。本项目主要得到以下研究结果：1）借助超声辅助法，将氧化铁分散到氧化石墨烯表面形成一种稳定的GO-Fe2O3复合光催化剂。GO-Fe2O3复合光催化剂之所以具有很高的U(Ⅵ)还原活性，是因为吸附性能的增强以及活化电子通过Fe2O3快速转移到氧化石墨性薄片上。2）由于半导体ZnO比U(Ⅵ)/U(Ⅳ)具有更负的导带位置，迁移到ZnO光催化剂颗粒表面的光生电子与被吸附在颗粒的表面的U(Ⅵ)发生光催化还原反应。另外，在甲醇参与下，反应体系形成了电子传递复合体（charge-transfer-complex），产生少量有机分子（organic radicals）RCOO.分子，增强了光催化还原U(Ⅵ)效率。本项目的研究成果具有如下科学意义： 1）利用可见光响应光催化剂光催化还原低浓度U(Ⅵ)污染物，并对其还原效率的影响因素、工艺技术和相关参数进行分析，为深度处理低浓度U(Ⅵ)的光催化还原技术提供高性能的光催化材料。2）阐明光催化材料还原低浓度U(Ⅵ)的动力学特征和路径，初步揭示复合光催化材料光催化还原低浓度U(Ⅵ)的机理。