盧嘉煒

【摘要】在廢水中鈾離子吸附方面，擁有氨基功能團(tuán)的吸附材料擁有較好的吸附性能，但難以實現(xiàn)重復(fù)利用?；谶@種認(rèn)識，本文通過開展實驗完成了一種含有氨基功能團(tuán)的硅膠鈾吸附材料的制備。從材料的吸附性能上來看，將鈾離子溶液pH調(diào)節(jié)為4，并使溶液達(dá)到平衡濃度，能夠使材料擁有較強(qiáng)的鈾離子吸附能力，吸附容量最高能夠達(dá)到16mg/g。

【關(guān)鍵詞】鈾 吸附材料 吸附性能

引言：隨著核電事業(yè)的快速發(fā)展，人們對鈾的需求也在逐漸增多。而地球上的鈾資源較少，所以還需實現(xiàn)對鈾的回收利用。制備能夠從廢水中分離和回收鈾的吸附材料，則成為了目前急需解決的問題。因此，還應(yīng)加強(qiáng)對鈾吸附材料制備和吸附性能的研究，以便更好的推動核電事業(yè)的發(fā)展。

1實驗條件

1.1實驗材料

（1）分析純試劑：

正硅酸乙酯（Si（OC2H5）4），分析純；氨水（NH3·H2O），分析純；濃鹽酸（HCl），分析純；氫氧化鈉（NaOH），分析純；無水乙醇（C2H6O），分析純；偶氮胂III（C22H18As2N4O14S），分析純。（2）儀器設(shè)備：

（2）儀器設(shè)備：

低速離心機(jī)（型號LD4-2A，廠家：北京雷勃爾）；數(shù)字恒溫磁力攪拌器（型號：79HW-1，廠家：杭州儀表電機(jī)有限公司）；電熱恒溫干燥箱（型號：DHG-9031A，廠家：上海精宏實驗設(shè)備有限公司）；掃描探針顯微鏡SEM（型號：SPA-300HV，產(chǎn)家：日本精工公司）；投射電鏡TEM（型號：FEI Tecnai 20，產(chǎn)家：牛津上海儀器廠）；FA1204B電子天平（精度0.0001g，上海佑科儀器儀表有限公司）；微量鈾分析儀（型號：WGJ-III，廠家：杭州大吉光電儀器有限公司）；數(shù)控超聲波（型號：KQ-250DE，廠家：昆山市超聲波器有限公司）。

1.2硅膠鈾吸附材料的制備方法

制備硅膠鈾吸附材料原理：以偶氮胂III作為原料，其與鈾能夠反應(yīng)得到有色絡(luò)合物，利用硅膠對偶氮胂III進(jìn)行包覆，從而利用硅膠內(nèi)部的偶氮胂III完成鈾吸附。之所以進(jìn)行該種材料的制備，主要是由于偶氮胂III無法在水中直接進(jìn)行鈾的吸附。因為該種材料可溶于水，無法進(jìn)行重復(fù)使用。但硅膠不溶于水，并且擁有較好的穩(wěn)定性，可以作為偶氮胂III與水隔離的載體。制備出的硅膠鈾吸附材料能夠在材料內(nèi)部發(fā)生吸附作用，然后利用離心過濾等方法對吸附離子的硅膠進(jìn)行分離，并使離子得到脫附，進(jìn)而重新進(jìn)行材料的利用。

在實際進(jìn)行吸附材料制備時，需要向偶氮胂III中加入一定量的水，從而得到含有偶氮胂III的懸浮液。向懸浮液中添加一定量氨水和無水乙醇，然后使用滴定管緩慢滴加一定量正硅酸乙酯。在此基礎(chǔ)上，需利用攪拌器進(jìn)行攪拌，時長為24h，以確保反應(yīng)充分進(jìn)行。最后，需要對溶液進(jìn)行離心過濾處理，然后使用烘箱進(jìn)行烘干，烘干溫度為60℃，則能得到需要制備的吸附材料，然后進(jìn)行干燥保存。

1.3材料吸附性能測試方法

完成材料制備后，需要先對制備得到的樣品進(jìn)行表征分析。首先，需要對樣品進(jìn)行SEM測定，在一定量樣中加入無水乙醇，然后使用超聲器進(jìn)行震蕩，儀器功率需設(shè)置為100%，時間為半小時。等到溶液中的物質(zhì)充分融合后，需對上層清液進(jìn)行提取，然后使用滴定管將液體滴在小硅片上，并利用移液器將溶液吹散開來。將小硅片放置在通風(fēng)位置，并等待乙醇完全揮發(fā)后，可在其表面噴金固定，然后利用掃描電鏡對粒子進(jìn)行觀察。其次，需進(jìn)行TEM測定，同樣進(jìn)行一定量樣品稱取，并加入無水乙醇和使用超聲進(jìn)行溶液處理。在此基礎(chǔ)上，需將上層清液滴加到銅網(wǎng)上，其上覆蓋有多孔碳膜。將銅網(wǎng)放在室溫環(huán)境內(nèi)，并直至乙醇揮發(fā)完全，可利用投射電鏡進(jìn)行觀察。

在分析材料吸附性能時，需先完成對鈾標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定。具體來講，就是要分別進(jìn)行不同濃度鈾標(biāo)準(zhǔn)液提取，然后使用比色管作為反應(yīng)容器，添加一定量的鹽酸（8mol/L）、抗壞血酸和無砷鋅粒。待反應(yīng)后，進(jìn)行偶氮胂III添加，并進(jìn)行吸光度測定，從而根據(jù)濃度和吸光度值完成曲線繪制。在此基礎(chǔ)上，可以對溶液pH和平衡濃度對材料吸附性能的影響進(jìn)行分析。首先，可以先利用鹽酸和氫氧化鈉進(jìn)行初始濃度為50mg/L的鈾離子溶液的pH調(diào)節(jié)，而使用的酸堿試劑溶液濃度均為0.1mol/L。而向pH在2-6之間的溶液添加10mg制備得到的吸附材料，并使用超聲器進(jìn)行30min處理，然后靜置24h，則能確保離子得到充分吸附。以4000r/min速度對溶液進(jìn)行10min離心處理，然后進(jìn)行上層清液提取，并利用鈾分析儀進(jìn)行鈾離子濃度測定，則能確定材料吸附量。其次，為確定鈾離子溶液濃度對材料吸附性能影響，需稱取5ml不同濃度溶液，并將其pH調(diào)節(jié)為4，然后加入10mg制備得到吸附材料。經(jīng)過超聲、靜置和離心等環(huán)節(jié)，進(jìn)行鈾離子濃度測定，則可以確定材料吸附量。

2實驗結(jié)果

2.1材料表征分析

從材料表征分析結(jié)果來看，材料粒子分布均勻，為球形，且表面光滑，直徑在300-500nm之間。而從TEM分析結(jié)果來看，球形粒子外有硅層包裹，擁有均一的粒徑，且表面光滑。由此可知，采取硅膠包覆的制備方法，能夠完成對偶氮胂III的包裹，從而得到新型的鈾吸附材料。

2.2鈾離子吸附性能分析

為確定偶氮胂III對鈾離子的吸附情況，需要對鈾離子標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行分析。使用650nm波長進(jìn)行吸光度值測定，從曲線繪制情況來看，可知在0-30mg/L之間，濃度點(diǎn)分布較為規(guī)律，吸光度值與濃度的線性關(guān)系良好。通過曲線擬合，其線性方程為Y=0.671X+0.024，曲線均方差R2為0.9977。

2.3pH對材料吸附性能的影響

從pH對材料吸附性能的影響情況來看，考慮到偶氮胂III的鈾吸附性能，需要將pH控制在2-6的范圍內(nèi)，以確保鈾離子能夠得到吸附。而從實驗結(jié)果來看（如下圖3所示），隨著pH值的減小，材料的吸附量也在逐漸減小。在pH接近2時，材料基本不會對鈾進(jìn)行吸附。出現(xiàn)這種情況，主要是由于隨著溶液中氫離子的增多，也會有大量氫離子被材料吸附，從而導(dǎo)致鈾離子吸附率逐漸降低。而隨著pH值的增大，氫離子則會減少，進(jìn)而使更多的氨基功能團(tuán)與鈾離子進(jìn)行反應(yīng)。在pH達(dá)到4時，材料吸附量最大。但隨著pH的持續(xù)增大，材料吸附量又出現(xiàn)了降低的情況。這一情況的發(fā)生，與絡(luò)合反應(yīng)有關(guān)。在pH增大的情況下，將有更多的絡(luò)合物和沉淀產(chǎn)生，從而導(dǎo)致鈾離子無法與材料充分接觸，進(jìn)而導(dǎo)致材料吸附量降低。由此可見，使用制備得到鈾吸附材料，應(yīng)將鈾離子溶液pH值控制在4左右，才能獲得良好的吸附效果。endprint

2.4平衡濃度對材料吸附性能的影響

分析濃度對材料吸附性能的影響可以發(fā)現(xiàn)，隨著鈾離子濃度的增加，材料吸附量逐漸增多，但是吸附率則有所降低。而在鈾離子濃度較低的情況下，吸附率也較大。出現(xiàn)這種情況，主要是由于材料在剛開始進(jìn)行鈾離子吸附時，材料上擁有較多的吸附位點(diǎn)。隨著材料吸附量的不斷增多，這些位點(diǎn)將逐漸減少，最終達(dá)到一個平衡的狀態(tài)。如下圖4所示，采取等溫線擬合的方式進(jìn)行吸附數(shù)據(jù)的處理，則能得到最佳的吸附容量。即擬合曲線均方差為0.99845時，材料吸附性能最佳，能夠達(dá)到16.53mg/g的吸附量。從實驗結(jié)果來看，材料最大吸附量約16mg/g，與分析結(jié)果一致。

結(jié)論：通過研究可以發(fā)現(xiàn)，采用硅膠對偶氮胂III進(jìn)行包裹，能夠完成硅膠鈾吸附材料的制備。該種材料表面擁有均勻硅膠，能夠?qū)⑴嫉螴II與水隔離開來，從而使材料能夠得到重復(fù)利用。而從材料的吸附性能上來看，其擁有較強(qiáng)的鈾離子吸附能力，但鈾離子溶液pH和濃度會對材料吸附性能產(chǎn)生影響。因此在實際進(jìn)行材料使用時，還要將鈾離子溶液pH調(diào)節(jié)為4，并使其達(dá)到平衡濃度狀態(tài)，進(jìn)而獲得更大的吸附容量。

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