论文总字数：27805字

摘 要

采取有效方法从含铀废水或者海中分离富集铀对环境保护与资源利用具有重要意义。介孔硅，比表面积大、孔径均匀且易被有机改性，是一种理想的吸附剂基底。脲基中包含了氨基和羰基，能与铀酰离子螯合，而伸乙基属于刚性基团，可增强材料的机械强度和比表面积。

本文通过脲基与伸乙基对介孔硅进行改性，制备了脲基功能化乙烷桥键介孔硅（UE-MS）。使用SEM、EDS、FTIR、BET和TGA技术对UE-MS进行表征分析。以UE-MS为吸附剂开展静态吸附试验，考察了各因素对UE-MS吸附U(VI)性能的影响。并且研究了UE-MS对U(VI)的吸附动力学、等温线与热力学机理。

表征结果证明UE-MS被成功合成，其孔径、BET比表面积和孔容分别为4.0 nm、302m²g^-1和0.53cm³g^-1。实验结果表明，pH为7时，UE-MS对U(VI)达到最佳去除效果。对于10mg/L铀溶液，投加0.2g/L的吸附剂去除率达92.5%，而投加0.6g/L可超99%。此吸附过程几乎不受共存阳离子的影响，但强络合能力的阴离子有一定的干扰。吸附约30min能达到平衡，且动力学遵从准二级动力学模型。弗罗因德利希模型适合描述该等温吸附过程，揭示了UE-MS对U(VI)主要是非均质表面的化学吸附。热力学参数说明该吸附过程是自发并吸热的，且高温有利于吸附。

关键词：铀；吸附；介孔硅；乙烷桥键；脲基

Abstract

Taking effective method to separate and enrich uranium from uranium-bearing wastewater or the sea is of great significance for environmental protection and resource utilization. Mesoporous silica is an ideal adsorbent substrate due to its large surface area, ordered mesopore structure and easy modifcation. The ureido group contains two amines and a carbonyl, which can chelate with the uranyl ion. The ethylene group is a rigid group, enhancing the mechanical strength and specific surface area of the material.

In this paper, ureido-functionalized ethylene-bridged mesoporous silica (UE-MS) was synthesized by co-condensation using the mesoporous silica as the substrate and the ureido group and the ethylene group as the modifying groups. The adsorbents were characterized by SEM, EDS, FTIR, BET and TGA. The effects of main factors on U(VI) sorption process were investigated using UE-MS as the adsorbent for static adsorption experiments. Furthermore, the kinetics, isotherms and thermodynamics of U(VI) adsorption by UE-MS were studied to analyze the adsorption mechanism.

The characterization results indicated that UE-MS was successfully synthesized. Its pore size, BET specific surface area and pore volume were 4.0 nm, 302m²g^-1 and 0.53cm³g^-1, respectively. The experimental results showed that the U(VI) removal by UE-MS reached the maximum at the optimum pH of 7. For 10mg/L uranium solution, the removal efficiency reached 92.5% using 0.2 g/L of UE-MS dose while it can exceed 99% using 0.6 g/L of dose. This adsorption process was hardly affected by the coexisting cations, but the anions with strong complexing ability had some interference. The adsorption speed was quick with an equilibrium time of 30 minutes, and the sorption kinetics followed the quasi-second-order kinetic model. For the description of isotherm sorption, the Freundlich model was more suitable, which revealed that the U(VI) adsorption by UE-MS mainly belonged to chemical adsorption on a heterogeneous surface. The thermodynamic parameters revealed the adsorption was spontaneous and endothermic, and the high temperature was conducive to the adsorption.

Key Words：uranium；adsorption；mesoporous silica；ethylene-bridged；ureido

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 核能发展状况 1

1.1.2 铀资源现状 1

1.1.3 铀污染与危害 1

1.2 含铀废水的处理方法 2

1.2.1 化学沉淀法 2

1.2.2 蒸发浓缩法 2

1.2.3 微生物法 3

1.2.4 离子交换法 3

1.2.5 溶剂萃取法 3

1.2.6 吸附法 3

1.3 介孔硅及其改性 4

1.3.1 介孔硅概述 4

1.3.2 表面结合型介孔硅 5

1.3.3 桥键型介孔硅 5

1.4 研究意义与内容 6

1.4.1 研究目的及意义 6

1.4.2 研究内容及技术路线 7

第2章 实验 8

2.1 实验试剂 8

2.2 材料合成 8

2.3 表征方法 9

2.4 吸附实验 9

第3章 结果与讨论 11

3.1 表征结果分析 11

3.1.1 扫描电镜分析 11

3.1.2 能量色散X射线光谱分析 11

3.1.3 傅立叶红外光谱分析 12

3.1.4 氮气吸附脱附分析 13

3.1.5 热重分析 13

3.2 影响因素考察 14

3.2.1 pH对吸附性能的影响 14

3.2.2 投加量对吸附性能的影响 15

3.2.3 共存离子对吸附性能的影响 16

3.2.4 时间对吸附性能的影响 16

3.2.5 初始浓度对吸附性能的影响 17

3.2.6 温度对吸附性能的影响 18

3.3 吸附机理研究 18

3.3.1 吸附动力学 18

3.3.2 吸附等温线 19

3.3.3 吸附热力学 20

第4章 结论 22

参考文献 23

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 核能发展状况

随着世界人口的不断增长以及现代化进程的快速推进，各国对能源的需求也不断增加。然而，煤和石油等化石能源在地球上的储量有限，无法保障人类的持续发展。而且，化石的燃烧会产生大量有害气体，包括CO、SO₂、NO_x等，严重污染大气环境，同时还会释放大量温室气体CO₂，导致温室效应等一系列全球性环境问题。因此，研发并使用新能源，逐渐代替传统能源，对于整个国家乃至人类社会的发展意义重大。

通过核反应从原子核释放的能量称为核能，这是一种清洁、高效的新能源。一方面，核能的CO和CO₂排放量极低，代替传统能源能避免造成严重的大气污染，减缓温室效应^[1]。另一方面，来自1千克铀的核能相当于燃烧270万千克标准煤释放的能量^[2]，具有广阔的应用前景。我国人口基数非常庞大，电力需求量也十分紧张，发展核电是解决电力问题的必然选择。中国核电发展战略也从上世纪的“适度发展”转变为本世纪上半叶的“快速发展”。预测到2050年，我国核电量将从目前占电力总量的3%左右迅速增长到9%-10%^[3]，节能减排形势也会得到较大改善。

1.1.2 铀资源现状

铀是地球上丰度最大的放射性元素，地壳中平均含量约为3mg/kg^[4]，也是目前核能使用的主要燃料。陆地上的铀矿是目前维持核能产业运行的最主要来源，目前已探明的铀矿蕴藏量约为400万吨。此外，海洋中存在着非常丰富的铀资源，虽然铀在海水中的浓度只有3.3μg/L^[5]，但海洋广阔无垠，据推测海水中蕴藏的铀资源总量可达45亿吨，是陆地铀矿的1000多倍。

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