孫艷斌,劉 穎,高乾宏,邵大冬,肖無云
1.南京理工大學(xué) 環(huán)境與生物工程學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100005
鈾礦開采與冶煉、核燃料元件生產(chǎn)以及乏燃料處置過程中會(huì)產(chǎn)生大量的放射性污染物。放射性污染物不能通過常規(guī)的環(huán)境微生物降解和化學(xué)降解進(jìn)行消除[1],并會(huì)通過生物富集、食物鏈以及飲水等途徑最終進(jìn)入人體,以化學(xué)毒性和內(nèi)照射的方式對(duì)人類健康產(chǎn)生長遠(yuǎn)的危害[2-3]。放射性污染物的處理[4]一直是全球廣泛關(guān)注的主要環(huán)境污染問題之一。因此,必須對(duì)放射性污染物(如鈾)進(jìn)行有效的處理處置[5],降低并消除其對(duì)環(huán)境的污染。
放射性廢水的處理工藝[6-7]主要有化學(xué)沉淀[8]、離子交換[9-10]、蒸發(fā)濃縮[11]和吸附[12]等。吸附法由于具有操作簡(jiǎn)單、吸附效率高、吸附材料來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛研究。吸附法的關(guān)鍵是高性能吸附劑的研發(fā)。UiO 系列[13]材料具有優(yōu)異的穩(wěn)定性,在含鈾廢水處理處置方面具有很好的應(yīng)用前景。石偉群課題組[14]研究了UiO-66-NH2對(duì)U(Ⅵ)的吸附行為,發(fā)現(xiàn)其對(duì)U(Ⅵ)的吸附容量高達(dá)100 mg/g。在眾多的鈾吸附基團(tuán)中,研究顯示:在其它干擾離子存在的情況下,偕胺肟基[15]對(duì)鈾酰離子具有較強(qiáng)的親和性和優(yōu)異的選擇吸附性,因此大量研究者關(guān)注偕胺肟基聚合物的吸附法。王祥科課題組[16]在UiO-66-Br上接枝腈基(—CN),再引入偕胺肟基(C(NOH)NH2)制備得到UiO-66-AO,考察了該材料對(duì)Eu(Ⅲ)的去除能力,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:反應(yīng)2 h后,UiO-66-AO 對(duì)Eu(Ⅲ)的吸附容量達(dá)到253.8 mg/g。劉建明等[17]通過在UiO-66-NH2上引入醛基后再通過胺肟化反應(yīng)得到UiO-66-AO 納米材料,考察它和UiO-66、Fe3O4@SiO2-AO 不同pH 下的吸附性能,整體上UiO-66-AO 表現(xiàn)出更好的U(Ⅵ)吸附性能,吸附容量達(dá)到227.8 mg/g。
基于UiO-66-NH2良好的穩(wěn)定性和偕胺肟基官能團(tuán)對(duì)U(Ⅵ)的優(yōu)異吸附性能,本工作擬通過氮雜-邁克爾加成和胺肟化反應(yīng)將偕胺肟基修飾到UiO-66-NH2表面,制備偕胺肟化UiO-66 材料(UiO-66-AO)。之前的研究大多是在有毒物質(zhì)或有機(jī)溶劑中在UiO-66-NH2上引入腈基[16-17],本工作在水溶液中引入腈基的方式綠色高效,后續(xù)的胺肟化反應(yīng)也簡(jiǎn)便可行。再利用FTIR、XPS、XRD 等手段對(duì)材料微觀性質(zhì)進(jìn)行表征,采用批實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)的吸附性能。
Tensor 27傅里葉變換紅外光譜儀、D8AadvanceX射線衍射儀,德國Bruker公司;ASAP 2460比表面積測(cè)試儀,美國Micromeritics公司;AXIS Ultra DLD X射線光電子能譜,英國Kratos公司;Optima 8000電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-OES)儀,美國Perkin Elmer公司。
氫氧化鈉(純度為96%,片狀)、碳酸鈉(純度≥99.5%)、二甲基亞砜(色譜級(jí),純度≥99.9%)、三乙胺(分析純,純度為99.0%)、N,N-二甲基甲酰胺(色譜級(jí),純度≥99.9%),上海麥克林生化科技有限公司;2-氨基對(duì)苯二甲酸(色譜級(jí))、無水乙醇(分析純),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;無水甲醇,純度為99.5%,南京化學(xué)試劑股份有限公司;丙烯腈,純度≥99.0%,上海阿拉丁生化科技有限公司。
UiO-66-AO 制備流程示于圖1。
圖1 UiO-66-AO 制備流程Fig.1 Preparation process of UiO-66-AO
UiO-66-NH2制備步驟[18]如下:稱取0.134 g 2-氨基對(duì)苯二甲酸超聲溶解在10 mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)中。將0.125 g四氯化鋯加入到含有5 mL DMF和1 mL 濃鹽酸中超聲溶解。將上述兩種溶液混合超聲20 min 后80 ℃反應(yīng)24 h,然后冷卻至室溫。所得樣品用DMF 和乙醇各洗滌離心3次,然后在50 ℃下真空干燥。
UiO-66-CN 制備[19]:將117 mg UiO-66-NH2和0.10 mL 丙烯腈加入7 mL 去離子水中,在120 ℃反應(yīng)48 h,反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫。所得樣品用甲醇和蒸餾水離心洗滌3 次后在50 ℃下真空干燥。
UiO-66-AO 制備[20]:將UiO-66-CN(0.552 g)、鹽酸羥胺(1.29 g)和三乙胺(1.88 g)分散在50 mL乙醇溶液中,在75 ℃下攪拌反應(yīng)24 h。用乙醇洗滌3 次再離心,所得固體在50 ℃下真空干燥12 h。
采用批實(shí)驗(yàn)(每組3次)研究UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)的吸附性能。向聚乙烯離心管中加入U(xiǎn)iO-66-AO 和NaNO3溶液,然后在振蕩器上振蕩1 d使UiO-66-AO 和NaNO3在加U(Ⅵ)前達(dá)到平衡。加入適量硝酸鈾酰和去離子水后調(diào)節(jié)溶液pH值。當(dāng)混合溶液在振蕩器上振蕩一定時(shí)間后,在25 ℃下9 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心分離固液相。采用ICP-OES測(cè)定溶液中U(Ⅵ)的剩余濃度。UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)的平衡吸附容量通過式(1)計(jì)算。
式中:qe,平衡吸附容量,mg/g;ρ0和ρe分別為初始和平衡時(shí)U(Ⅵ)的質(zhì)量濃度,mg/L;V,溶液體積,L;m,吸附劑質(zhì)量,g。
UiO-66-NH2、UiO-66-CN 和UiO-66-AO 的紅外圖譜示于圖2。由圖2 可知:加成反應(yīng)后UiO-66-CN 在約2 250 cm-1處出現(xiàn)一個(gè)對(duì)應(yīng)于—CN 伸縮振動(dòng)的新峰,表明丙烯腈成功修飾到UiO-66-NH2表面。UiO-66-CN 經(jīng)過胺肟化處理反應(yīng)后,腈基的特征吸收峰(2 250 cm-1)消失,同時(shí)在1 653 cm-1和922 cm-1處出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)于偕胺肟基的吸收振動(dòng)的弱峰。這表明胺肟化處理后材料表面—CN 官能團(tuán)充分轉(zhuǎn)化為—AO 官能團(tuán)。
圖2 UiO-66-NH2、UiO-66-CN和UiO-66-AO的紅外圖譜Fig.2 FTIR spectra of UiO-66-NH2,UiO-66-CN and UiO-66-AO
為了進(jìn)一步證明偕胺肟基引入到UiO-66-NH2上,將胺肟化后的樣品進(jìn)行XPS測(cè)試,結(jié)果示于圖3。由圖3可知,在UiO-66-AO 的XPS全譜上可以看到較強(qiáng)的O 1s、C 1s、N 1s和Zr 3d信號(hào),并對(duì)N 1s 譜圖進(jìn)行擬合,分別在400.78、399.68 eV和398.98 eV 處分為三個(gè)峰,各歸屬于和Ar NH—,且峰面積之比約為1∶1∶1,進(jìn)一步說明成功制備出UiO-66-AO。
圖3 UiO-66-AO 的XPS全譜(a)和N 1s(b)譜Fig.3 XPS survey(a)and N 1s(b)spectra of UiO-66-AO
UiO-66-NH2、UiO-66-CN 和UiO-66-AO 的XRD 圖譜示于圖4。UiO-66-NH2的XRD 圖譜與文獻(xiàn)[14]一致,說明UiO-66-NH2制備成功。修飾后樣品UiO-66-CN、UiO-66-AO 和UiO-66-NH2的XRD 譜圖高度相似,這說明修飾過程未破壞材料的晶格結(jié)構(gòu)。
圖4 UiO-66-NH2、UiO-66-CN 和UiO-66-AO 的XRD 圖 譜Fig.4 XRD patterns of UiO-66-NH2,UiO-66-CN and UiO-66-AO
2.2.1 吸附動(dòng)力學(xué) 平衡時(shí)間是評(píng)價(jià)吸附劑實(shí)用性的重要參數(shù)之一。平衡時(shí)間短有利于降低吸附劑用量和操作所需時(shí)間,進(jìn)而降低處理成本。圖5為不同溫度下UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)的吸附容量隨時(shí)間的變化曲線。如圖5所示,不同溫度下UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)的吸附容量均隨吸附時(shí)間的增加而逐漸上升。在吸附初始,由于U(Ⅵ)濃度較高和UiO-66-AO 表面可用吸附活性點(diǎn)較多,吸附速率較快,吸附1 h吸附率達(dá)85%;隨著吸附的進(jìn)行,U(Ⅵ)濃度和UiO-66-AO 表面可用吸附活性位點(diǎn)均逐漸降低,吸附速率逐漸下降,并在4 h達(dá)到吸附平衡。動(dòng)力學(xué)研究不但能夠直觀地反映反應(yīng)的平衡過程及去除能力,還能揭示反應(yīng)機(jī)制。為探究UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)的吸附機(jī)理,采用準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程模型[21]對(duì)U(Ⅵ)吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,計(jì)算相關(guān)吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)。準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)的線性方程如式(2)。
圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)UiO-66-AO 吸附U(Ⅵ)的影響Fig.5 Effect of reaction time on U(Ⅵ)adsorption on UiO-66-AO
式中:k1,準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù),h-1;t,反應(yīng)時(shí)間,h;qe,平衡吸附容量,mg/g;qt,t時(shí)刻的吸附容量,mg/g。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)線性方程如式(3)。
式中:k2,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù),g/(mg·h)。兩種模型的速率常數(shù)以及相應(yīng)的線性擬合相關(guān)系數(shù)(r2)結(jié)果列入表1。由表1可知:準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)線性擬合r2值更高,這表明UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)的吸附更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型[22]。這表明U(Ⅵ)在UiO-66-AO 表面上的吸附主要受化學(xué)吸附控制,且吸附容量與材料表面吸附位點(diǎn)緊密相關(guān)。
表1 UiO-66-AO 吸附U(Ⅵ)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 1 Kinetic parameters of UiO-66-AO adsorption for U(Ⅵ)
2.2.2 溶液pH 的影響 pH 對(duì)UiO-66-NH2和UiO-66-AO 吸附U(Ⅵ)的影響示于圖6。由圖6可知:U(Ⅵ)在UiO-66-NH2表面的吸附隨著pH 值的增大而上升,當(dāng)pH 為5~6 時(shí)達(dá)到最大,然后隨pH 值的上升而降低;U(Ⅵ)在UiO-66-AO 表面吸附的變化規(guī)律與UiO-66-NH2表面相似。這說明U(Ⅵ)的吸附受溶液pH 值的影響。當(dāng)溶液pH 較低時(shí),U(Ⅵ)主要以游離形式存在,而吸附劑上的活性位點(diǎn)被質(zhì)子化并帶正電荷。由于靜電排斥,帶正電荷的不易與同樣帶正電荷的活性位點(diǎn)結(jié)合[17],因此UiO-66-AO對(duì)U(Ⅵ)的吸附較小。在高pH 值時(shí),溶液中U(Ⅵ)除了以柱鈾礦((UO2)8O2(OH)12·12 H2O)的形式存在,部分以和的形式存在[23],都不易與偕胺肟基配位,導(dǎo)致UiO-66-AO的U(Ⅵ)吸附容量迅速降低。
圖6 pH 對(duì)UiO-66-NH2 和UiO-66-AO 吸附U(Ⅵ)的影響Fig.6 Effect of pH on UiO-66-NH2 and UiO-66-AO adsorption for U(Ⅵ)
2.2.3 吸附等溫線 吸附等溫線[24]表示在吸附達(dá)到平衡時(shí)吸附物質(zhì)在固-液兩相的分布情況,這對(duì)于評(píng)估UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)的吸附能力非常重要。考察U(Ⅵ)濃度對(duì)吸附的影響,結(jié)果示于圖7。由圖7可知:UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)的吸附容量隨著U(Ⅵ)濃度的增加而逐漸升高,并隨溫度的升高而逐漸升高,開始增長迅速,之后變得平緩,直至材料的吸附容量達(dá)到飽和。這表明高溫有利于U(Ⅵ)的吸附。采用Langmuir和Freundlich模型[25]對(duì)吸附等溫線進(jìn)行擬合計(jì)算,以進(jìn)一步研究UiO-66-AO 與U(Ⅵ)之間的相互作用關(guān)系。Langmuir等溫方程如式(4)。
圖7 UiO-66-AO 吸附U(Ⅵ)的吸附等溫線Fig.7 Adsorption isotherm of UiO-66-AO for U(Ⅵ)
式中:ρe,平衡時(shí)液相中U(Ⅵ)的質(zhì)量濃度,mg/L;qe,平衡吸附容量,mg/g;qm,最大吸附容量,mg/g;KL,Langmuir吸附平衡常數(shù),L/mg。Freundlich模型方程如式(5)。
式中:n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),代表吸附強(qiáng)度,一般認(rèn)為1/n值越小其吸附性能越好;KF,F(xiàn)reundlich 吸附平衡常數(shù),。兩種模型擬合的結(jié)果列入表2。由表2可知:Langmuir吸附等溫線擬合的r2值均顯著高于Freundlich模型擬合結(jié)果。因此,Langmuir吸附等溫模型更適合描述U(Ⅵ)吸附到UiO-66-AO 的過程。隨著溫度由25 ℃增加到55 ℃時(shí),UiO-66-AO 吸附U(Ⅵ)的最大單層吸附容量由204 mg/g增加到244 mg/g。相較于先前研究的UiO-66-NH2(吸附容量為100 mg/g)[14]及通過在UiO-66-NH2上引入醛基后再通過胺肟化反應(yīng)得到UiO-66-AO 納米材料(吸附容量達(dá)到227.8 mg/g)[17],在水溶液中引入腈基制備得到的UiO-66-AO 也表現(xiàn)出良好的吸附U(Ⅵ)的效果。
表2 UiO-66-AO 吸附U(Ⅵ)的Langmuir和Freundlich吸附等溫線模擬參數(shù)Table 2 Langmuir and Freundlich parameters for U(Ⅵ)adsorption on UiO-66-AO
2.2.4 吸附熱力學(xué) 吸附熱力學(xué)主要研究材料吸附過程的表觀焓變、表觀熵變和表觀Gibbs自由能變[26],在吸附過程中是否需要提供能量或者為自發(fā)反應(yīng)。相關(guān)熱力學(xué)方程如下:
式中:Kd,熱力學(xué)分配系數(shù),L/g;R,理想氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K);T,吸附平衡時(shí)溶液絕對(duì)溫度,K;ΔH,吸附焓變,kJ/mol;ΔS,吸附熵變,J/(mol·K);ΔG,Gibbs自由能,kJ/mol。通過Van't Hoff方程(6)得到圖8,再結(jié)合公式(7)和(8)計(jì)算UiO-66-AO 吸附U(Ⅵ)的相關(guān)熱力學(xué)參數(shù),結(jié)果列入表3。由表3可知:正的ΔS值表明UiO-66-AO 吸附U(Ⅵ)的過程中固-液界面間的混亂度增加;正的ΔH值說明UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)吸附過程為吸熱過程,溫度越高越有利于吸附;負(fù)的ΔG值表明UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)吸附過程是自發(fā)過程,同時(shí)隨著溫度的升高,ΔG變小,進(jìn)一步證明溫度越高越有利于其吸附的進(jìn)行。
圖8 UiO-66-AO 吸附U(Ⅵ)的Van't Hoff圖Fig.8 Van't Hoff plot for adsorption of U(Ⅵ)on UiO-66-AO
表3 UiO-66-AO 吸附U(Ⅵ)的熱力學(xué)參數(shù)Table 3 Thermodynamic parameters of UiO-66-AO adsorption for U(Ⅵ)
2.2.5 吸附選擇性 為了評(píng)估UiO-66-AO 的吸附選擇性能及其在實(shí)際核工業(yè)廢水中的潛在應(yīng)用,采用模擬核工業(yè)廢水進(jìn)行研究。金屬離子種類和初始濃度列入表4[27]。不同固液比時(shí)模擬廢水中UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)的吸附示于圖9(a)。由圖9(a)可知:隨著固液比的增大,該材料對(duì)U(Ⅵ)的吸附率越高;當(dāng)固液比增至5 g/L時(shí),吸附效果最佳,吸附率為95.3%。UiO-66-AO 對(duì)模擬核工業(yè)廢水中不同金屬離子的吸附率示于圖9(b)。由圖9(b)可知:各金屬離子的吸附選擇性如下:Na+>Zn2+>Co2+>Mn2+>Sr2+。該研究表明在模擬核工業(yè)廢水中,UiO-66-AO 材料對(duì)U(Ⅵ)具有優(yōu)異的選擇吸附性。
圖9 不同固液比時(shí)模擬核工業(yè)廢水中UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)的吸附(a)和吸附選擇性研究(b)Fig.9 Adsorption of U(Ⅵ)on UiO-66-AO in simulated nuclear industrial wastewater with different solid-liquid ratios(a)and adsorption selectivity(b)
表4 模擬核工業(yè)廢水中金屬離子的種類和初始濃度[27]Table 4 Species and initial concentrations of metal ions in simulated nuclear industrial wastewater[27]
通過氮雜-邁克爾加成和胺肟化反應(yīng)制備出新型偕胺肟化金屬-有機(jī)框架UiO-66-AO,并利用FTIR、XPS、XRD 等表征手段對(duì)其微觀性質(zhì)進(jìn)行深入研究。吸附實(shí)驗(yàn)表明:UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)的吸附在4 h達(dá)到吸附平衡,吸附過程符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型;U(Ⅵ)在UiO-66-AO 表面吸附容量最高可達(dá)244 mg/g;吸附過程符合Langmuir模型;相關(guān)吸附熱力學(xué)參數(shù)說明UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)的吸附是一個(gè)吸熱、熵增、自發(fā)過程。選擇吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在眾多干擾離子存在情況下,UiO-66-AO 對(duì)U(Ⅵ)也具有優(yōu)異的吸附率,說明其具有潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。