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铀酰离子印迹聚合物的合成与性能研究

孟虎  
【摘要】:随着核电的高速发展,在铀矿开釆和选冶过程中产生了大量的含铀放射性废水,可能会造成严重的环境污染。由于铀是一个具有化学毒性和低放射活性的重金属元素,铀及其化合物进入到人体中可能会对肾脏造成渐进或不可逆的损伤,甚至导致肾衰竭,因而有必要开展环境样品中铀含量的分析测定。吸附法被广泛用于环境样品预处理,同时由于环境样品通常具有组成复杂以及浓度低等特点,要求吸附剂对UO22+具有高的选择性和亲和性。目前研究的吸附剂大多选择性较低,而离子印迹聚合物由于对模板离子具有高的选择性和亲和性,适合于环境样品中UO22+的分离富集。本论文采用表面印迹技术制备了三种铀酰离子印迹聚合物,用于UO22+的选择性吸附。首先通过硅胶表面烯基的共聚反应,进行接枝聚合制备了硅胶表面印迹聚合物。在此基础上我们采用表面引发接枝聚合法合成了另一种具有更高选择性和吸附容量的铀酰离子印迹聚合物,此外我们还以硅胶包覆氧化石墨烯为基体制备了具有快速吸附性能的铀酰离子印迹聚合物吸附剂。首先,本论文通过烯基功能化硅胶表面双键的共聚反应制备了硅胶表面印迹聚合物。硅胶表面的烯基能够引导印迹聚合反应在硅胶表面进行,与铀酰离子配合物及交联剂进行共聚合,在硅胶颗粒表面接枝印迹聚合物层。采用红外光谱、扫描电镜以及元素分析分别对产物进行了表征。而吸附实验研究表明,该印迹聚合物对UO22+有高的吸附效率,吸附过程是吸热和自发的,升高温度有利于UO22+的吸附。动力学研究证实,该吸附过程符合准二级动力学模型,速控步可能是化学吸附,印迹和非印迹聚合物的最大吸附容量分别为35.92和22.58 mg g-1,吸附过程符合Langmuir吸附等温模型。选择性实验结果证实该印迹聚合物对UO22+具有高的选择性,可用于环境样品中铀的分离富集。在上述工作的基础上,为进一步提高印迹聚合物的选择性和吸附容量,我们采用预辐照表面引发接枝聚合法在硅胶表面接枝印迹聚合物制备了另一种铀酰离子印迹聚合物。表面引发接枝聚合可以获得稳定的聚合物结构以及高的接枝密度,有利于提高印迹识别位点的稳定性,进而提高印迹聚合物的选择性和吸附容量。此外,采用预辐照方法在硅胶表面引入过氧化物,具有简单、方便、绿色等特点,且引入的过氧化物在室温下是稳定的,便于长时间保存。进一步的研究发现,UO22+能够促进过氧化物的分解形成含氧自由基,引发接枝聚合反应制备印迹聚合物。此外,还通过批次吸附实验研究了该印迹聚合物的吸附性能。动力学研究表明该吸附过程符合准二级动力学模型,而热力学的研究证实吸附过程是吸热和自发的。此外,该吸附过程符合Langmuir吸附等温模型,印迹聚合物的最大吸附容量为46.42 mg g-1,显著高于硅胶表面双键共聚制备的印迹聚合物。而选择性研究的结果证实,该印迹聚合物对UO22+具有高的选择性,可用于从环境样品中分离富集UO22+,而且该印迹聚合物还具有良好的可复用性。此外,我们还制备了一种对UO22+具有快速吸附性能的离子印迹聚合物。首先采用溶胶-凝胶法制备了硅胶包覆氧化石墨烯,再经两步反应对其表面进行烯基功能化制备了烯基化硅胶包覆氧化石墨烯,后通过其表面双键的共聚反应制备了表面印迹聚合物,通过红外光谱、电镜、热重分析以及拉曼光谱对产物进行表征,并研究了其吸附性能。通过批次吸附实验发现,该印迹聚合物对UO22+表现出快速的吸附动力学,这可能是由于基体材料GO具有较高的比表面积,有利于提高印迹聚合物的吸附速率,吸附过程符合准二级动力学模型。而热力学研究表明,该吸附是吸热和自发的。印迹和非印迹聚合物的最大吸附容量分别为17.89 mg g-1、10.32 mg g-1,吸附过程符合Langmuir吸附等温模型。该印迹聚合物对UO22+具有较高的选择性,可用于环境样品中UO22+的快速分离富集。研究表明,离子印迹技术是制备高选择性铀吸附剂的有效方法,可用于环境样品分析预处理,预辐照表面引发接枝聚合可提高铀酰离子印迹聚合物的选择性和吸附容量。此外,通过采用硅胶包覆氧化石墨烯为基体可显著提高印迹聚合物的吸附速率。


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