利用功能化叶状硅酸盐去除铀(VI)和铬(VI)的过程和机理研究
由于纳米技术和微观结构研究的不断发展，有效应用的先进材料的合成已经提高了。现有元素的亲和力和适用性极大地促进了具有不同特性的纳米粒子的合成。具有可调节能力的植物硅酸盐因其层状结构、可交换的层间阳离子、大表面积和吸附位点而获得关注。尽管如此，由于它们的特性和功能有限，其适用性受到限制。在本论文中，通过采用天然和合成的植物硅酸盐与有机三甲氧基硅烷或非金属光催化剂半导体的耦合，使用化学沉淀或皮克林乳液来合成不同的植物硅酸盐基功能化复合结构。对合成的结构的特点进行了分析研究。系统地研究了合成结构的固定化能力，通过调节反应体系建立最佳条件，在单相研究中，六价铀和铬被用作目标离子。 通过两步化学沉淀法合成了蒙脱石支持的纳米零价铁（nZVI/Mt），并以硫醇（SH）为功能。通过形态学分析，观察到功能化的纳米零价铁在 Mt-支持的模板上的分布增强，形成叶状结构。合成的复合结构在很宽的pH值范围内是稳定的，因为它保持着从-29 mV （强酸性条件下）到-34 mV（碱性条件下）的负表面电荷。nZVI/Mt-SH 复合结构显示出增强的固定性，这明显受到样品中铁含量的影响。酸性条件下 nZVI/Mt-SH 表面的质子化和碱性条件下羟基的增加，在接近中性的 pH 条件下，接触时间为 30 分钟，去除率最好（100%）。确定nZVI/Mt-SH复合结构去除铀离子的机制是通过U（Ⅵ）转化为U（Ⅳ）的还原固定化。同时，在这个过程中发生了吸附（通过离子交换和表面复合）和沉淀。 受上述研究结果的启发，通过两步沉淀法合成了有机功能化的合成硅酸镁（ Mg-SH），并将其作为 nZVI 的支撑模板。nZVI/Mg-SH 结构分析表明，nZVI 成功地分布在Mg-SH的表面。nZVI/Mg-SH复合体拥有较大的比表面积（66.76平方米/克），而Mg-SH和nZVI的比表面积分别为64.10平方米/克和55.89平方米/克。据观察，该复合结构具有高活性，因此能够快速去除铀离子，30分钟后观察到100%的效率，而反应时间为68.69%（Mg-SH）和 93.94%（nZVI）。样品表面的去质子化减少了其表面的负电荷，导致在酸性条件下去除率下降，而在近中性条件下，去质子化通过静电吸引促进了最好的去除。在不同的盐浓度下，nZVI/Mt-SH 被证明对铀离子的去除是有效的，效率超过 80%。该去除过程被确定为一个内热过程，在 50℃时去除能力超过 212毫克/克。去除途径被确定为按照假二阶动力学过程的还原性固定化。结果表明，Mg-SH可以作为nZVI的成功支撑模板，并且该复合材料可以有效地用于去除水溶液中的U（Ⅵ）离子。 对自然的-合成层状硅酸盐协同效应的兴趣激发了埃洛石纳米管（HNTs）和硫醇功能化层状硅酸镁复合材料的合成，用于吸附铀酰离子。自然的-合成的复合层状硅酸盐表现出混合的块状球形和管状形态，具有晶体结构和增加的表面积。Zeta电位在酸性和碱性条件下都被确定为负值。在不同的条件下对 HNT/Mg-SH的效率进行了阐明，确定 pH值~7为最佳的 pH值条件。碱性条件下羟基自由基的增加导致静电排斥，限制了对铀离子的吸收。反应过程被确定为内热，吸收的机制是通过化学吸附过程建立的，吸收U（Ⅵ）离子的主要途径是通过表面络合的吸附，Al、Si和S是反应系统的主要参与元素。 最后，在利用捕集材料提高光催化剂的光催化能力的启发下，通过皮克林乳化法构建了基于Mt的光敏微胶囊。石墨氮化碳（g-C3N4）被用作无金属的光催化剂半导体。Mt被用作光产生的空穴（h+）的捕获器，以增强电子（e-）的转移，从而提高表面反应性。所构建的微胶囊具有直径达 50微米的空心-外壳结构的微胶囊，以 Mt为主要外壳材料。研究发现，在较高的g-C3N4与Mt的比率下，增加的光生电子-空穴对通过单层化学吸附去除100%的Cr（VI）离子. 综上所述，本文介绍了使用功能化天然和合成层状硅酸盐合成的一系列复合材料。采用适当的科学分析技术对复合材料结构的理化性质进行了系统分析。在单相体系中使用不同的目标离子，研究了调制条件下合成复合材料在环境应用中的功效。最后，阐明了其机理和反应过程。这些研究将为层状硅酸盐在环境修复中的应用研究的拓展提供科学基础和技术参考。
环境修复;叶状硅酸盐;合成工艺;铀离子;铬离子;吸附性能
西南科技大学
博士
环境科学与工程
孙仕勇
2023
中文
X171.4
2023-09-12（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）