电化学辅助超分子复合膜对锶的吸附性能研究

A large amount of low-level radioactive liquid wastewater containng Sr2+ is produced during nuclear fuel reprocessing，which will pose a great threat to the ecological environment. Consequently, the investigation on the separation and removal of low concentration Sr2+ is of great significance. Adsorption technique has been widely used for the separation of Sr2+ from waste water due to its simplicity, efficiency, and suitable operation. However, for low concentration Sr2+, the conventional physicochemical adsorption rate is slow, the Coulomb repulsion between cations will hinder adsorption, and the interference ions will occupy the adsorption site and reduce the adsorption capacity. At the same time, many adsorbent materials have the disadvantages of low selectivity, poor acid resistance, hard elution and hard solid-liquid separation, which limit the application of adsorption method. Based on the characteristics of supramolecular recognition, this project will design and synthesize specific derivatives of calixarene and crown ether for selective separation of Sr2+. The as-synthesized compounds will be mixed with polymers and conductive materials, then the membrane electrodes will be obtained by spin coating the mixture on the conductive carbon felt substrate. Based on the double electrode system, a low energy consumption, high efficiency and renewable supramolecular membrane system for adsorbing Sr2+ was constructed with the aid of half-wave rectified alternating current electric field. By investigating the influence factors of Sr2+ adsorption on the surface of the membrane, the mechanism of adsorption and the relationship between material structure and activity will be revealed.

核燃料循环后处理阶段会产生大量含Sr2+的低放废水，对生态环境造成很大威胁。分离去除低浓度Sr2+的研究具有十分重要的意义。目前吸附法因操作简单、经济可行而被广泛用于去除废水中Sr2+的研究。但对低浓度Sr2+而言，传统的物理化学吸附存在吸附速率慢、阳离子间的库仑斥力会阻碍吸附，且干扰离子会占用吸附位点，降低吸附容量等缺陷。同时，许多吸附材料还存在选择性低、耐酸性差、难洗脱、固液分离困难等不足，限制了吸附法的应用。本项目拟利用超分子的识别特性，设计合成对Sr2+具有专一选择性的杯芳烃和冠醚衍生物，将其与聚合物及导电材料等按比混合，在导电碳毡表面涂覆成膜电极。基于双电极系统，在半波整流电场作用辅助下，构筑低能耗、高效率，可再生的吸附Sr2+的超分子膜体系。通过系统研究Sr2+在膜表面吸附的影响因素，揭示吸附机理和材料构效关系，为高效去除低放废水中的Sr2+提供理论依据和可行性方案。

本项目基于超分子如不同的18-冠-6-醚衍生物分子对Sr(Ⅱ)具有一定专一选择性识别的特性，利用浸涂法、化学接枝法等修饰策略对导电基质表面进行修饰，制备了系列含有主体冠醚分子的复合电极材料。并研究了材料作为电极材料进行电吸附时，电极材料的理化性质如导电性、化学组成等，以及电流参数如电压大小、频率、脉冲方式等对电化学吸附Sr(Ⅱ)的性能的影响。通过外加交变电场的辅助作用，构筑具有快速、高效、高选择性分离Sr(Ⅱ)的超分子复合电极吸附体系。利用各种分析表征手段研究超分子复合电极材料，探究在外加电场下，溶液中Sr(Ⅱ)在超分子复合材料表面的传输与材料合成方法、材料形貌、结构等构效关系，阐明吸附机理，通过分子层面的调控实现Sr(Ⅱ)的高效、高选择性的吸附和脱附。为利用电化学法实现溶液中低浓度Sr(Ⅱ)的吸附分离的工艺应用奠定理论和实验基础。主要的内容如下：.1、基于冠醚等超分子化合物的离子识别特性，探究了在碳毡表面制备不同的冠醚复合膜（CA膜和PAN膜），通过外加交变电场的辅助诱导作用，构筑能够快速、有效分离Sr(Ⅱ)的功能化冠醚-碳基电极材料。制备了CA-DB18C6@CF和PAN-DB18C6@CF电极，根据其吸附性能和膜性质的比较，分别进行时间与pH实验， CA复合膜电极在15小时后，吸附效率可达到88.4%，确定最佳pH为6。.2、用二苯并-18-冠-6醚和醋酸纤维素修饰的碳电极，采用非对称脉冲电流辅助电化学（AP-CE）法从海水中萃取Sr(Ⅱ)。使用不对称脉冲电流来防止干扰阳离子阻塞吸附位点，并减少水的电解。与传统的物理化学吸附Sr(Ⅱ)相比，AP-CE法具有更高的去除效率和吸附能力，该方法对模拟海水中Sr(Ⅱ)的吸附具有优异的选择性，这表明非对称脉冲电化学方法有望从海水中萃取Sr(Ⅱ)离子。.3、通过重氮化反应将4'-氨基苯并-18-冠-6醚接枝到碳毡表面，得到了复合材料（CE@CF）。然后，使用CE@CF作为电极，通过非对称脉冲电流辅助电化学（AP-CE）方法从水溶液和模拟海水中萃取Sr(Ⅱ)。由于碳毡的优异导电性和冠醚分子的良好选择性，CE@CF电极具有出色的电化学萃取性能。在合适的交流电势下，结果表明，Sr(Ⅱ)的最大去除效率和最大吸附容量分别达到99.5％和668.9 mg g-1。尤其是，可以在无洗脱溶液的情况下通过施加正电压来解吸CE@CF电极表面的