功能性水滑石(LDHs-X)粘土礦物對放射性核素鈾的吸附及機理研究.pdf

1、水滑石粘土礦物（LDHs）因其具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性、獨特的“記憶效應(yīng)”、可交換的層間陰離子及開放的多孔結(jié)構(gòu)而被廣泛應(yīng)用于納米催化、能源存儲、環(huán)境修復(fù)及傳感等領(lǐng)域，特別是在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域因其天然存在、清潔廉價等特征應(yīng)用于有機染料、重金屬離子及放射性污染物的去除與降解。但由于粘土礦物耐酸性差、表面含氧官能團(tuán)種類少等瓶頸制約了其在污染物處理中的應(yīng)用，為此，本論文從設(shè)計、組裝富含多種官能團(tuán)的高耐酸性水滑石功能材料出發(fā)，先后制備了甘油改性的棒狀鈣/鋁

2、水滑石（Ca/Al LDH-Gl）和絮狀鎳/鋁水滑石（Ni/Al LDH-Gl）、棒狀三元鈣-鎂-鋁系列水滑石（Ca-Mg-Al-LDH）及其衍生物（Ca-Mg-Al-LDOx）和石墨類氮化碳復(fù)合水滑石材料（g-C3N4@Ni-Mg-Al-LDH），擬克服LDHs在放射性核素修復(fù)中的應(yīng)用瓶頸。采用不同的表征技術(shù)（如SEM、TEM、元素Mapping、BET、EDS、FT-IR、XRD和XPS等）分別解析功能化后LDHs的理化性質(zhì)和微觀結(jié)

3、構(gòu)；借助先進(jìn)的EXAFS技術(shù)和DFT理論計算探索了LDHs對溶液中U(VI)的去除機制和反應(yīng)機理，以批量吸附實驗為手段，系統(tǒng)模擬不同環(huán)境條件下（如固液比、pH、離子強度、接觸時間、溫度和C[CO32-]等）U(VI)的吸附行為和去除效果。
　　采用一步水熱合成技術(shù)制備Ca/Al LDH-Gl和Ni/Al LDH-Gl，其表面具有豐富的含氧官能團(tuán)（如C-O、O-C=O和C=O），提供了足夠的活性位點和反應(yīng)界面。由Sips等溫模型可知

4、在298.15K時Ca/Al LDH-Gl對U(VI)的飽和吸附容量達(dá)266.5mg·g-1，顯著高于Ni/Al LDH-Gl（142.3mg·g-1），主要由于Ca/Al LDH-Gl表面具有更多的含氧官能團(tuán)和高活性“Ca-O”鍵。EXAFS結(jié)果證明吸附過程中穩(wěn)定的鈾酰內(nèi)層絡(luò)合物的形成是由于化學(xué)吸附而不是還原反應(yīng)，體系中的鈾未從 U(VI)轉(zhuǎn)變?yōu)閁(IV)。DFT計算表明Ca/Al LDH-Gl和Ni/Al LDH-Gl對U(VI)的

5、吸附主要通過氫鍵和靜電相互作用結(jié)合。在較低C[CO32-]濃度下（C[CO32-]<0.04mol·L-1），Ca/Al LDH-Gl對其依賴性較高，即實際修復(fù)應(yīng)用中應(yīng)避免CO32-的參與。
　　通過水熱合成與高溫煅燒技術(shù)制備棒狀Ca-Mg-Al-LDH和Ca-Mg-Al-LDDx（x:200、300、400、500和600℃），不同吸附劑對U(VI)的去除能力可通過改變煅燒溫度進(jìn)行調(diào)控，不同材料對 U(VI)的單分子層飽和吸附容

6、量順序為：Ca-Mg-Al-LDO500（486.8mg·g-1）>Ca-Mg-Al-LDO600（373.4mg·g-1）>Ca-Mg-Al-LDO400（292.5mg·g-1）>Ca-Mg-Al-LDO300（260.0mg·g-1）>Ca-Mg-Al-LDO200（223.5mg·g-1）>Ca-Mg-Al-LDH（132.5mg·g-1）。其主要由于煅燒后的Ca-Mg-Al-LDDx具有獨特的“記憶效應(yīng)”、納米“尺寸效應(yīng)”和不

7、同含量的金屬-含氧鍵（Ca-O、Al-O和Mg-O），動力學(xué)和熱力學(xué)研究表明吸附過程屬于化學(xué)吸附且為自發(fā)、吸熱過程。
　　借助兩步水熱聚合和一步高溫煅燒技術(shù)制備網(wǎng)格狀g-C3N4@Ni-Mg-Al-LDH復(fù)合材料，復(fù)合前后對比發(fā)現(xiàn)：g-C3N4@Ni-Mg-Al-LDH（99.7mg·g-1）對U(VI)的最大吸附容量約為單體Ni-Mg-Al-LDH（59.8mg·g-1）的1.5倍，約為單體g-C3N4（31.1mg·g-1）的

8、3.0倍，表明復(fù)合后的材料因不同官能團(tuán)的協(xié)同作用提高了對鈾酰離子的絡(luò)合能力。在整個pH范圍內(nèi)（2.0