![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
氧化石墨烯复合材料对铀的吸附研究进展_刘鹏.pdf
《氧化石墨烯复合材料对铀的吸附研究进展_刘鹏.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《氧化石墨烯复合材料对铀的吸附研究进展_刘鹏.pdf(17页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 卷 第期核化学与放射化学 年月 收稿日期:;修订日期:基金项 目:烟 台 市 校 地 融 合 发 展 项 目();烟 台 市 科 技 计 划 项 目();校 企 合 作 基 金 项 目();烟台市科技创新发展计划项目(,)氧化石墨烯复合材料对铀的吸附研究进展刘鹏,阮辉,薛云,马福秋,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院,黑龙江 哈尔滨 ;哈尔滨工程大学 烟台研究(生)院,山东 烟台 摘要:氧化石墨烯因其优异的吸附性能在放射性废水处理领域受到了重点关注,通过功能化改性可以进一步提升氧化石墨烯的吸附性能。本文首先介绍了氧化石墨烯对铀的吸附性能和吸附机理。然后根据改性方法的不同将氧化石墨烯复合材料分
2、为共价键功能化改性材料和非共价键功能化复合材料。综合比较了共价键功能化改性材料和非共价键功能化复合材料对铀的吸附性能及分离回收能力,指出这两种改性方法的联合有望成为氧化石墨烯复合吸附材料未来的重点研究方向。关键词:氧化石墨烯;铀;吸附;复合材料;放射性废水中图分类号:;文献标志码:文章编号:():,;,:,:;伴随核能的快速发展,在核燃料循环的各个环节均会不可避免地产生大量放射性废水。对这些放射性废水中铀的回收有利于缓解我国对进口铀资源的依赖。铀的化学毒性和放射性毒性很强,世界卫生组织()和美国环境保护署()均建议饮用水中铀质量浓度最高不得超过,过量的铀摄入对人体健康有害,严重的将会致癌。因此
3、,对放射性废水中铀的去除不仅是为了核能的可持续发展,更是为了人类自身的健康。常用于放射性废水处理的技术包括化学沉淀法、生物处理法、离子交换法、溶剂萃取法 和吸附法 等。在这些方法中,吸附法由于具有高效率、易操作、分离效果好和低成本等优点被认为是目前最有发展前景的方法。开发吸附容量大、选择性高、成本低且易得的吸附材料成为了研究人员重点关注的领域。氧化石墨烯()是石墨烯()的氧化物,具有结构独特、表面活性基团多、稳定性高等特点,在环境修复中受到广泛关注。由于含有羧基、羟基、环氧基和羰基等含氧官能团,对水中的重金属离子有较强的吸附作用。然而,片层之间强烈的相互作用会导致自堆叠和不可逆聚集,从而抑制其
4、吸附性能。此外,单独作为吸附剂使用时存在分离回收能力差、部分含氧官能团活性低和选择性差等不足。因此,为了促进在放射性废水处理领域的应用,研究人员通过各种方法对 进行功能化改性以提高其吸附性能。及其复合材料对放射性废水中的铀具有优异的吸附性能,在放射性废水处理领域有很好的应用前景,因此研究氧化石墨烯复合材料对铀的吸附具有非常重要的意义。本文综述了及采用各种方法制备的氧化石墨烯复合材料对放射性废水中铀的吸附性能,并对其未来的发展方向进行了展望。氧化石墨烯对铀的吸附性能及机理王祥科课题组 最早将 作为吸附剂去除溶液中的铀。他们将多层氧化石墨烯纳米片()用于溶液中铀的预富集。在 时,对铀的吸附效果较差
5、,当 增加到 时,其对铀的吸附率可达。尽管相邻纳米片层的自聚集不利于吸附,但是 对铀的最大吸附容量仍高达 ,远大于当时报道的任何一种纳米材料。在此基础上,石伟群课题组 制备了单层氧化石墨烯纳米片(),并且通过肼还原 的方法制备了还原氧化石墨 烯()。相同条件下,对铀的最大吸附容量()是 ()的倍。这表明含氧官 能 团 在 吸 附 过 程 中 起 重 要 作 用。由 于 的单层结构可以保证表面的活性吸附位点充分暴露在金属离子下,所以促进了吸附过程,其吸附容量远远大于。的氧化程度决定了其含氧官能团的数量和类型,通过不同方法制得的 的氧化程度不同,吸附性能也存在差异。唐军课题组 通过球磨法、电解法和
6、化学氧化法对进行表面修饰,制备了球磨法氧化石墨烯()、电解法氧化石墨烯()和化学氧化法氧化石墨烯()三种材料。、和 氧化程度的高低顺序为 。在相同条件下,对铀的 最 大 吸 附 容 量()远 远 高 于()和()的值。这表明通过提高氧化程度可以有效地提升氧化石墨烯材料对铀的吸附容量。对与铀相互作用机理的研究有助于进一步开发 性 能 更 加 强 大 的 吸 附 材 料。胡 涛 课 题组 使 用 恒 容 电 容 模 型()、扩 散 层 模 型()和三层模型()对对铀的吸附与 的关系进行拟合。如图所示,当假设两性氢氧化 物 官能 团()与铀酰离子作用形 成 和()()两种内层配合物时,三种模型均可以
7、较好地拟合 对铀的吸附过程。赵英国课题组 采用拓展三层模型模拟对铀的吸附得到了类似的结论:用两种内层配合物 和()可以很好地拟合吸附过程。因此,采用内层表面配合物可以有效地对实际吸附过程进行模拟,铀主要通过内层表面配位作用吸附到 上。在环境污染控制和核废物管理领域,了解各种含氧官能团的作用对于设计去除铀或其它放射性核素的功能化氧化石墨烯材料具有重要意义。如图 所示,铀与羧基结合时的键长比铀与环氧基和羟基结合时的键长短。这说明相较于羟基和环氧基,铀在羧基上的解吸更加困难。王祥科课题组 利用密度泛函理论()系统地研究了不同的 值下 与铀的作用机理,得到了类似的结论,即 对铀的吸附主要受溶液 值的影
8、响,在高 值时吸附性能最好,吸附机理为铀酰离子与含氧官能团上负电性的 原子之间较强的静电相互作用。因此增加 表面的含氧官能团和负电性可以有效地提高其对铀的吸附能力。第期刘鹏等:氧化石墨烯复合材料对铀的吸附研究进展()原始数据,(),(),()图氧化石墨烯吸附铀的表面配位模型拟合结果 图 与铀酰配合物的 几何优化结构 核化学与放射化学第 卷共价键功能化改性材料含氧官能团的存在使得 对铀的吸附能力很强,但是与某些极性官能团相比,含氧官能团与重金属离子的结合较弱。此外,如果不对 进行任何改性处理,其吸附选择性很差。表面存在羧基、羟基、环氧基和羰基,这些含氧官能团可以通过酯化反应、酰胺化反应、氧化还原
9、反应和亲核取代反应等方式将胺基、胺酰胺结构、磷酸基团、羧基、巯基和磺基等极性基团引入 表面,显著提高的吸附性能。根据对四种含氧官能团的功能化改性,将共价键功能化改性材料分为羧基功能化、羟基功能化、环氧基功能化和羰基功能化。()羧基功能化氧化石墨烯纳米片的边缘分布着大量反应活性很好的羧基,易于进行功能化改性。在活化剂的作用下,羧基可以通过酰胺化反应或氧化还原反应,将胺基、胺酰胺结构或磷酸共价枝接到表面,从而有效提高其吸附性能。作为锕系元素的软配体,胺基可以与金属离子形成稳定的螯合物。马建国课题组 利用对苯二胺()上的胺基和上的羧基之间的酰胺化反应制备了胺基功能化氧化石墨烯()。由于胺类配体和金属
10、离子有很强的结合能力,对铀的最大吸附容量远远大于。在此 基 础 上,马 建 国 课 题 组 进 一 步 以 和二乙烯三胺五乙酸为原料制备了一种新型螯合剂二乙烯三胺五乙酸苯二胺(),同样通过胺基和羧基的酰胺化反应将 共价枝接到 上制备了 复合材料。在 、时,对铀的最大吸附容量高达 ,说明引入含氮官能团可以有效提高 对铀的吸附容量。胺酰胺结构对重金属离子有很好的亲和力。等 以半胱氨酸酰胺为还原剂制备了半胱氨酸酰胺还原氧化石墨烯复合材料()。对铀的吸附具有高度选择性,除了 、和 对吸附过程有微小干扰外,吸附过程不受其它杂质离子的影响。林铭章课题组 以乙二胺()为交联剂,将邻菲罗啉二酰胺()共价枝接到
11、上制备了一种新型高效吸附材料 。将 制成具有多孔结构的膜材料后,膜可以实现()、()与()、()、()的快速高效分离,()、()的去除率均在 以上。谢水波课题组 通过聚乙烯亚胺()的胺基与 的羧基之间的酰胺化反应,采用自组装法制备了聚乙烯亚胺 氧化石墨烯复合材料()。对铀的最大吸附容量()明显大于 的值()。因此,将 上的羧基酰胺化可以有效地提高复合材料对铀的螯合能力。除了胺 酰胺结构,胺肟也是一种良好的铀螯合基团,具有优异的化学活性和良好的吸附能力。唐军课题组 以多壁碳纳米管解链得到的氧化石墨烯纳米带()为基体,以胺肟()为官能团,采用化学枝接法制备了胺肟化氧化石墨烯纳米带()。在 、时,对
12、铀的最大吸附容量为 。与含氮官能团一样,含磷官能团也可以有效地提高 的吸附性能。王殳凹课题组 制备了磷酸化氧化石墨烯壳聚糖三元复合材料()。在 、时,对铀的最大吸附容量高达 。等 利用单磷酸腺苷()上的胺基酰胺基和磷酸基还原上的羧基制备了单磷酸腺苷还原氧化石墨烯复合材料()。根据 模型计算得到 对铀的最大吸附容量为 ,并且具有极快的吸附速率,仅需 即可完成吸附过程。()羟基功能化上的羟基可以通过氧化还原反应转化为醛基,再利用醛基与胺基之间的席夫碱缩合反应将极性基团枝接到 上。在活化剂的作用下,羟基可以直接一步转化为对铀的亲和力更强的羧基或巯基实现羟基功能化改性。此外,利用羟基的亲核性,可以将离
13、子印迹技术应用于 的功能化改性,有效地提升其对铀的吸附选择性。夏传琴课题组 在二甲基亚砜体系中以五氧化二磷为氧化剂将上的羟基氧化为醛基,然后通过醛基和伯胺衍生物的胺基之间的席夫碱缩合反应制备了席夫碱季铵盐双功能化的氧化石墨烯复合材料()。不同于传统的改性方法需要在无水或绝氧的条件下反应,通过席夫碱缩合反应可以在相对温和的条件下实现对 的功能化改性,这为 的功能化改性提供了一种新的思路。冯绍杰课题组 通过氨基苯硫酚将表面的羟基替换为巯基制备了巯基修饰的第期刘鹏等:氧化石墨烯复合材料对铀的吸附研究进展氧化石墨烯复合材料()。对铀的最大吸附容量为 ,经过次吸附解吸后,仍可保持初始吸附能力的。引入巯基
14、后,的吸附性能相对于 得到了明显提升。相较于羟基,羧基与铀的结合能力更强,因此通过将 上的羟基转化为羧基可以有效提高其吸附性能。等 在强碱性条件下,用氯乙酸活化 将羟基转化为羧基制备了羧基化氧化石墨烯()。在 、时,对铀的最大吸附容量为 。马福秋课题组 以溴乙酸为活化剂用同样的方法制备了羧基化氧化石墨烯()。经过羧基 化 后,的 羧 基 含 量 由的 上升至 。在最佳条件下,对铀的最大吸附容量为 。相较于氯乙酸,将溴乙酸作为活化剂可以使制备的 的羧基含量更高,吸附性能更好。离子印迹聚合物对目标离子有较高的选择性和良好的亲和力,是一种很有前途的选择性分离富集材料。李峥课题组 以甲基丙烯酸作为亲水
15、性功能单体采用表面印迹技术制备了一种基于的 离 子 印 迹 聚 合 物()。如图所示,当()、()、()、()、()和()与()共存时,对()的选择性系数()均大于 。但是 对 铀 的 最 大 吸 附 容 量 仅 为 ,而且制备过程复杂,有待进一步研图()在 上的选择性吸附 ()究改进。()环氧基功能化通过 反应或开环反应对 上的环氧基进行功能化修饰可以显著提高 的吸附性能。王祥科课题组 在溴化锂的存在下通过亚磷酸三乙酯与 表面的环氧基之间的 反应制备了膦酸盐功能化氧化石墨烯()。在相同条件下,对铀的吸附容量远高于其对锶和钴的吸附容量。等 采用同样的方法制备了膦酸盐功能化氧化石墨烯(),并将其
16、用于 处 理铀 矿 废 水。在 强 酸 性 环 境 下,对铀的去除率仍接近 。刘云海课题组 采用浓磷酸原位磷酸化的方法制备了磷酸功能化氧化石墨烯()。当 时,对铀的吸附容量远远高于其他金属离子,进一步说明含磷官能团可以有效地提升对铀的吸附性能。十六烷基三甲基溴化铵()的氨基具有亲核 性,可 作 为 上 环 氧 基 的 开 环 剂。刘娟课题组 利用这一点,将 共价枝接到 表面制备了 修饰的氧化石墨烯复合材料()。引入 后,的分散性相较于 得到了明显提升,不会在水中自聚集成块。同时,上的含氮含氧官能团可以强化对铀的配位作用。在初始铀质量浓度为 时,对铀的去除率高达 。王君课题组 在使用 对 进行化
17、学改性的同时,通过引入植酸()调节复合材料的层间距和表面电荷制备了 三元复合材料。在铀浓度极低的模拟海水中,对铀的去除率仍接近 。这表明通过调节复合材料的层间距和表面电荷可有效地提升其吸附性能。()羰基功能化相较于羧基、羟基和环氧基,羰基的反应活性很低,对其功能化改性需要的反应条件更苛刻。刘云海课题组 将 与发烟硫酸混合置于高压反应釜中,通过羰基的亲核加成反应将磺基枝接到 表面制备了磺化氧化石墨烯()。由于磺基与铀的结合能力更强,在相同条件下,对铀的最大吸附容量()明显高于的值()。这说明羰基经过功能化改性后,将极性更强的基团共价枝接到 表面,可以有效地提高 对铀的吸附性能。以上共价键功能化改
18、性材料对铀的吸附性能总结列入表。核化学与放射化学第 卷表共价键功能化改性材料对铀的吸附性能 吸附剂实验条件吸附容量()动力学模型等温线模型参考文献 ,注:,准一级;,准二级非共价键功能化复合材料单层氧化石墨烯纳米片的理论厚度为,过小的尺寸以及大量亲水性含氧官能团的存在使得其在水中分散性过强,难以通过传统方法实现吸附剂的回收。通过非共价键复合的方式可以有效抑制 的亲水性,提升 的分离回收能力。近年来,三维材料、磁性材料以及其它氧化石墨烯复合材料在放射性废水处理领域得到了长足发展。三维氧化石墨烯复合材料三维互联多孔自组装氧化石墨烯吸附剂是近年来最具吸引力的重金属吸附材料之一。它具有丰富的含氧基团、
19、较大的比表面积、良好的力学性能以及独特的多孔网络结构,为重金属离子扩散到三维结构中提供了有利的途径。同时,三维连通多孔结构可以抑制氧化石墨烯材料的自积聚。整体式的形貌有利于操作和收集,避免了传统固体吸附剂的缺点。因此,三维氧化石墨烯复合材料受到了研究者们的重点关注。()氧化石墨烯水凝胶由于片层之间的氢键和亲疏水相互作用,在水中可以形成片层相连的网状结构,到达一定浓度时即可形成水凝胶。但是纯氧化石墨烯水凝胶()很脆弱,通过酸化或加入聚合物、有机小分子或离子作为交联剂制备复合水凝胶可以有效提升 的机械强度。陈洪兵课题组 通过抗坏血酸还原 制备了还原氧化石墨烯水凝胶()。对铀的吸附强烈依赖于,当 由
20、 上升至 时,吸附量急剧上升,并在 为 时达到平台期,最大吸附容量为 。当 时,吸附量略有下降。将功能化改性材料作为交联剂(功能化交联剂)不仅可以促进 自组装,极性基团的引入还可以有效地提升其吸附性能。王君课题组 分别以聚乙烯亚胺()和三聚氰胺()为功能化交联剂制备了聚乙烯亚胺改性氧第期刘鹏等:氧化石墨烯复合材料对铀的吸附研究进展化石墨烯水凝胶()和三聚氰胺改性氧化石墨烯水凝胶()。功能化交联剂的引入有效地提升了复合材料的吸附性能,和 对铀的最大吸附容量分别为 和 。在铀浓度极低的模拟海水中,两者对铀的吸附率均高于。在天然海水富集铀的实际应用中,吸附剂在吸附过程中可能会受到微生物的黏附,这会大
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 氧化 石墨 复合材料 吸附 研究进展 刘鹏
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。