h-CNT及Eu@h-CNT复合物的制备及其对放射性Th4+的去除研究

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钍(Thorium,Th)是一种天然存在的放射性重金属元素,是核能开发中一种更为高效的燃料源,同时作为新型功能化材料也有诸多应用。然而在稀土尾矿的开采加工,核能和化学制造生产中会有部分的钍浸出污染环境,一旦被生物体摄取,即使浓度较低,也可能诱发癌变,导致各种严重的疾病以及生物系统紊乱。如何有效地处理这部分含钍的环境水体,从而实现资源的充分利用和保护环境的目的,是目前急需解决的问题。本论文合成了一种碳氮空心管材料(hollow Carbon nitrogen structure tube,h-CNT)及其含铕基络合物的复合材料(Eu@h-CNT),对这两种材料的物理性质和化学结构进行了表征,并考察了不同条件下两种材料对Th4+离子的去除能力。主要的研究结果概述如下:(1)通过水热碳化和高温热解反应制备得到h-CNT,对h-CNT材料的热稳定性、微观形貌、晶体结构、比表面积、分子结构和原子价态等物理化学性质进行表征测试,结果表明h-CNT制备成功。Th4+离子吸附的批次实验表明h-CNT最佳吸附p H为3.5;整体上h-CNT对Th4+离子吸附能力要优于未掺氮的碳管材料;吸附过程符合Langmuir等温线并遵从准二级动力学模型,在25°C,h-CNT饱和吸附量最大可达133.87 mg g-1;反应60分钟吸附量就能达到饱和吸附量的89%,吸附在360分钟时趋于平衡;吸附热力学结果表明该吸附过程是熵增、吸热和自发的。(2)通过h-CNT与Eu基络合物的偶联合成了Eu@h-CNT复合物材料,对其结构和形貌进行了一系列表征测试。表明Eu@h-CNT合成成功且表面富含活性官能团,具有相当的稳定结构。吸附容量从大到小为Eu@h-CNT>氧化的h-CNT>h-CNT>Eu基络合物;溶液p H在2~4之间时p H对吸附容量的影响不大,在p H=4及无干扰离子条件下,Eu@h-CNT材料最大吸附效率达到84.62%,且在Na+、Ca2+、Cu2+、Cr3+和Ce3+等干扰离子存在的环境下对钍离子的吸附性能基本没有影响;吸附过程符合Langmuir等温线且遵从准二级动力学模型,在55℃时的最大吸附容量达到210.97 mg g-1;在60分钟左右达到吸附平衡,且实验数据与动力学拟合结果,等温吸附模型结果较为接近;Eu@h-CNT吸附过程是由熵增,吸热的,可自发进行,温度对Eu@h-CNT的吸附容量有一定影响。吸附机理表现在Eu@h-CNT表面上的Eu-O与Th形成Eu-O-Th键,同时Th与Eu@h-CNT骨架上活性基团提供的孤对电子对配位形成多元络合物。综上所述,h-CNT及其复合物材料Eu@h-CNT对水中的Th4+离子具有良好的去除能力,实验结果对含钍废水的去除提供了理论依据,对开发更清洁、更高效、更经济的含钍废水净化吸附材料具有潜在应用价值与意义。
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