静态法和EXAFS技术研究Eu(III)在钛酸纳米管上的吸附行为和微观机制

结合静态实验和X射线吸收精细结构谱学(EXAFS)技术研究了pH、时间、有机配体等环境因素对放射性核素Eu(III)在钛酸纳米管上的吸附行为和微观机制的影响.宏观实验结果表明:Eu(III)在钛酸纳米管上的吸附在pH<6.0条件下受离子强度影响,而在pH>6.0条件下不受离子强度影响;腐殖酸HA/FA在低pH条件下可以促进Eu(III)在钛酸纳米管上的吸附,而在高pH条件下抑制Eu(III)在钛酸纳米管上的吸附.EXAFS微观分析结果表明:在pH<6.0条件下,吸附属于外层吸附机理;在pH>6.0条件下,吸附属于内层吸附机理.pH<6.0时,中心原子Eu周围只有Eu-O一个配位层,其平均键长为2.40,配位数在9左右;随着pH逐渐升高,第一配位层的配位数下降,表明吸附Eu原子配位的对称性下降.当吸附时间延长或pH升高,吸附原子Eu周围出现了Eu-Eu和Eu-Ti第二配位层,其平均键长分别为3.60和4.40,配位数分别在2或1左右,表明形成了内层吸附产物或表面沉淀或表面多聚体.腐殖酸HA/FA的存在,可以改变Eu(III)在钛酸纳米管表面的吸附形态和微观原子结构,Eu(III)不仅可以与钛酸纳米管的表面羟基直接键合形成二元表面复合物(Eu-TNTs),还可以通过HA/FA的桥连作用形成三元表面复合物(HA/FA-Eu-TNTs).这些研究结果对于评估放射性核素Eu(III)与纳米材料在分子水平上的作用机理及分析Eu(III)在环境中的物理化学行为具有重要的意义.     

X射线吸收谱学在锕系环境放射化学中的应用

锕系环境放射化学对于核废料尤其是高放废物的安全处理和处置至关重要,同步辐射技术尤其是X射线吸收谱学在解析锕系元素在不同介质表面的配位结构方面可以发挥关键作用,对于理解锕系元素在环境介质中的迁移转化行为意义重大.本文综述了近年来国内外利用X射线吸收谱学研究锕系元素环境化学方面的最新进展,主要包括锕系核素在不同地质条件下的迁移和转化以及微生物对核素迁移的影响等方面.     

静态法和X射线吸收精细结构光谱技术研究腐殖酸对Eu(Ⅲ)在高庙子膨润土上的吸附影响

膨润土由于其高吸附性和低渗透性而受到广泛的研究.在本文中,利用XRD、FTIR和酸碱滴定对我国内蒙古高庙子膨润土进行了详细的表征和分析.用静态法研究在温度为25±2℃和0.01mol/L NaClO4溶液中,pH值、腐殖酸、接触时间和Eu(Ⅲ)初始浓度对Eu(Ⅲ)在钠基膨润土上的吸附影响.研究结果表明Eu(Ⅲ)的吸附受pH值影响明显.在低pH值条件下,腐殖酸对Eu(III)的吸附影响微弱,而在高pH值条件下腐殖酸降低Eu(Ⅲ)的吸附.X射线吸收精细结构光谱(XAFS)技术对吸附在膨润土上的Eu(Ⅲ)局域微观结构研究结果表明,在pH为4.15条件下,Eu在膨润土上与其周围的氧原子间的距离大约为2.39.本文中的研究结果对于评估其他三价镧系和锕系元素在作为填充材料的膨润土上的吸附和迁移具有重要的意义.     

静态法和X射线吸收精细结构光谱技术研究腐殖酸对Eu(III)在高庙子膨润土上的吸附影响

膨润土由于其高吸附性和低渗透性而受到广泛的研究. 在本文中, 利用XRD、FTIR和酸碱滴定对我国内蒙古高庙子膨润土进行了详细的表征和分析. 用静态法研究在温度为25± 2 ℃和0.01 mol/L NaClO4溶液中, pH值、腐殖酸、接触时间和Eu(III)初始浓度对Eu(III)在钠基膨润土上的吸附影响. 研究结果表明Eu(III)的吸附受pH值影响明显. 在低pH值条件下, 腐殖酸对Eu(III)的吸附影响微弱, 而在高pH值条件下腐殖酸降低Eu(III)的吸附. X射线吸收精细结构光谱(XAFS)技术对吸附在膨润土上的Eu(III)局域微观结构研究结果表明, 在pH为4.15条件下, Eu在膨润土上与其周围的氧原子间的距离大约为2.39 Å. 本文中的研究结果对于评估其他三价镧系和锕系元素在作为填充材料的膨润土上的吸附和迁移具有重要的意义.     

膦酸化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料对Eu(Ⅲ)的富集性能

本文定向合成了一种新型的膦酸化氧化石墨烯(GO)-壳聚糖(CS)复合材料(GO-CS-P),并将其应用于水体中三价Eu(Ⅲ)的高效富集.宏观实验结果显示,这一复合材料对Eu(Ⅲ)的吸附在5 min内即可达到平衡,在pH5.5和293 K条件下的最大吸附容量(106.14 mg/g)高于先前文献中报道的一系列吸附材料.此外, GO-CS-P能够高效、选择性地从高盐度和多组分金属离子共存的水溶液中捕获Eu(Ⅲ). X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)、傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectrometry, FTIR)、X射线吸收光谱(X-ray absorption spectroscopy,XAS)和X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)的分析结果表明, Eu(Ⅲ)与GO-CS-P表面的膦酸酯基团和羧基发生共价结合,形成稳定的内层络合物.基于本文的研究发现, GO-CS-P复合材料在修复被三价镧系/锕系元素污染的地下水方面具有很大的应用潜力.     

针铁矿对焦磷酸根的吸附特征及吸附机制

为深入了解自然水体中焦磷酸盐的迁移转化行为,以表生环境中广泛存在的稳定矿物-针铁矿为研究对象,系统研究了其对焦磷酸根的吸附过程,探索了不同实验条件下(pH值、电解质、时间、温度)针铁矿对焦磷酸根吸附的影响。 结果表明,溶液pH值从6.27升至10.99时,总磷吸附量从3.00 mg/g降低至0.75 mg/g;电解质浓度越低越有利于针铁矿对焦磷酸根的吸附;吸附剂对焦磷酸根的吸附量在最初1 h内增长较快,随后渐渐达到吸附平衡;溶液温度的升高对吸附量提高具有增强作用。 用动力学和热力学模型对吸附过程进行拟合,发现准二级动力学和Langmuir模型具有更好的适用性。 结合材料吸附焦磷酸根前后的表征,推导出针铁矿对焦磷酸根的吸附机制可能是以表面配合和物理吸附为主导。     

Eu(III)在北山花岗岩上的吸附作用

用电位滴定法研究了甘肃北山花岗岩(BS03,600m)的酸、碱性质,用批式法研究了Eu(III)在该花岗岩上的吸附行为.实验结果表明:在离子强度I=0.1M的NaCl溶液中,北山花岗岩的pHPZNPC为9.4,当I增大至0.4M时,pHPZNPC为9.0.不同离子强度下花岗岩的电位滴定曲线与类似条件下蒙脱石的相仿.Eu(III)在北山花岗岩上的吸附分配比(Kd)随pH、离子强度和Eu(III)浓度的变化而变化.在低pH范围,Eu(III)的Kd值随离子强度的增大显著减小,而在高pH值范围,离子强度对Kd的影响甚微.用模型定量解释了Eu(III)在北山花岗岩上的吸附随pH、离子强度和Eu(III)浓度而变化的实验数据,该模型包含Eu3+与花岗岩发生的阳离子交换反应以及Eu(III)与花岗岩表面羟基发生两个内层表面配合反应(inner-sphere surface complexation reactions).用所建模型对离子强度为0.1M时Eu(III)在北山花岗岩上的吸附行为作了预测,并与文献报道的类似条件下Am(III)在北山花岗岩上的吸附实验数据作了比较.     

Se(Ⅳ)在北山花岗岩上的吸附

采用批式法研究了粉碎的甘肃北山花岗岩样品(BS03,600 m)对Se(Ⅳ)的吸附作用.实验结果表明:在pH 3-7范围内,Se(Ⅳ)的吸附分配比(Kd)基本不随pH变化;当pH＞7时,Se(Ⅳ)在北山花岗岩上的Kd随pH的增大而减小.Se(Ⅳ)在北山花岗岩上的吸附不随离子强度变化.北山地下水条件下的Ca2+(4.10× 10-3 mol· L-1)和SO42- (3.17×10-3 mol·L-1)对Se(Ⅳ)的吸附没有影响.此外,Se(Ⅳ)/Eu(Ⅲ)/北山花岗岩三元吸附体系的实验结果表明,Se(Ⅳ) (1.46× 10-5 mol·L-1)和Eu(Ⅲ)(3.33×10-6 mol·L-1)在北山花岗岩上的吸附作用相互之间没有表观影响.通过假定HSeO3-在广义的吸附位点(三)SOH上发生了生成(三)SHSeO3和(三)SSeO3-的两个表面配位反应,定量解释了Se(Ⅳ)的吸附实验结果.     

五价锕系元素“阳离子-阳离子”配合物研究Np(Ⅴ)-Np(Ⅴ)和Np(Ⅴ)-Np(Ⅵ)配合物的吸收光谱

自Ｊ .Ｃ .Ｓｕｌｌｉｖａｎ等人于 1 961年首次报道了五价锕系元素Ｎｐ(Ⅴ )和六价锕系元素Ｕ(Ⅵ )在高氯酸溶液中能够形成 1∶1型的“阳离子 阳离子”配合物以来[1 ] ,五价锕系元素在酸性溶液中的这一特殊配位行为引起了人们的极大兴趣。随着对锕系元素在后处理中化学性质的进一步认识 ,相继报道了Ｕ(Ⅴ )、Ｎｐ(Ⅴ )以及Ａｍ(Ⅴ )等五价锕系元素与Ｎｐ(Ⅵ )、Ｕ(Ⅵ )等六价锕系元素形成的“阳离子 阳离子”配合物[2 ,3] ,随后又报道了五价Ｎｐ(Ⅴ )和Ｐｕ(Ⅴ )与一系列三价过渡元素 ,如Ｃｒ(Ⅲ )、Ｒｈ(Ⅲ )、Ｓｃ(Ⅲ )、Ｇａ(Ⅲ )、Ｆ…     

五价锕系元素“阳离子—阳离子”配合物研究Np（V）—Np（V）和Np（V）—Np（Ⅵ）配合物的吸收光谱

自J．C.Sullivan等人于1961年首次报道了五价锕系元素Np(V)和六价锕系元素U（Ⅵ）在高氯酸溶液中能够形成1：1型的“阳离子－阳离子”配合物以来^[1],五价锕系元素在酸性溶液中的这一特殊配位行为引起了人们的极大兴趣。随着对锕系元素在后处理中化学性质的进一步认识,相继报道了U（V）、Np(V)以及Am(V)等五价锕系元素与Np(Ⅵ）、U（Ⅵ）等六价锕系元素形成的“阳离子－阳离子”配合物^[2,3],随后又报道了五价Np(V)和Pu(V)与一系列三价过渡元素,如Cr(Ⅲ）、Rh（Ⅲ）、Sc（Ⅲ）、Ga（Ⅲ）、Fe（Ⅲ）、Ir（Ⅲ）和Bi（Ⅲ）形成的配合物^[4-7],之后又发现了五价U（V）和Np(V)与一系列一价、二价过渡元素,如Ag(Ⅰ）、Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Hg（Ⅱ）和PbⅡ等离子形成的1：1型的“阳离子－阳离子”配合物^[7]。这些配合物的发现,不仅丰富了已有的配位化学理论,而且对Purex流程常量U中微量裂片元素的分析提供了一定的参考价值。然而,由于研究手段的局限性和锕系元素化学性质的特殊性,有关五价锕系元素与六价锕第元素以及过滤元素“阳离子－阳离子”配合物的吸收光谱、配位机理尚未有系统研究。在研究了Np(V)-U（Ⅵ）吸收光谱的基础上,本文又详细考察了HCIO4介质中Np(V)-Np(V)以及Np(V)-Np(Ⅵ）配合物的吸收光谱,并求得了配合物形成过程的平衡常数,为进一步研究Np(V)的过程化学提供实验依据。     

荞麦皮生物吸附去除水中Cr(Ⅵ)的吸附特性和机理

农业废弃物荞麦皮作为生物吸附剂去除水中Cr(Ⅵ),研究了荞麦皮对Cr(Ⅵ)的去除动力学以及溶液pH、吸附剂用量和Cr(Ⅵ)初始浓度对去除效率的影响;通过FT-IR,XPS,SEM-EDX对荞麦皮表面组成和结构进行表征,探索荞麦皮去除Cr(Ⅵ)的机理.结果显示:荞麦皮对Cr(Ⅵ)有很高的去除效率.常温下5.0 g·L-1的荞麦皮在pH=2.0下对100 mg·L-1 Cr(Ⅵ)溶液的去除率可达99.87%.荞麦皮对Cr(Ⅵ)的去除率随溶液pH降低而升高,在pH=2.0时达到最大;随吸附剂用量增加而增大;随Cr(Ⅵ)初始浓度增加而减小.单位质量荞麦皮对Cr(Ⅵ)的去除量随吸附剂用量增加而减小;随Cr(Ⅵ)初始浓度增加而增加,最后趋于稳定.在20℃,pH=2.0,吸附用量为5.0 g·L-1时,荞麦皮对Cr(Ⅵ)的最大去除容量约为36.4 mg·g-1.荞麦皮吸附去除Cr(Ⅵ)的过程符合准二级吸附动力学.FT-IR,XPS和SEM-EDX分析结果表明:荞麦皮是一个多孔材料,表面存在羧基、氨基、羟基等活性基团;荞麦皮对Cr(Ⅵ)的去除是一个吸附-还原耦合的过程,包括Cr(Ⅵ)在荞麦皮表面上的静电吸附,以及此后的固相还原和对还原态的Cr(Ⅲ)再吸附;Cr(Ⅲ)的吸附主要是通过与荞麦皮表面的羧基、氨基的配位,以及与其中的阳离子发生离子交换作用实现的.     

EXAFS研究不同酸度下Zn2+在水锰矿表面的吸附和沉淀

用EXAFS(extended X-ray absorption fine structure)研究了pH 7.00、7.50、8.00时Zn(II)在水锰矿表面的吸附和沉淀. Zn第一层配位Zn—O距离约为0.202 nm, 不随pH变化, 表明Zn的构型为四面体和八面体的混合物. 在pH 7.00 条件下, Zn—Mn距离约为0.300 nm, Zn主要以双边形式吸附在水锰矿(010)或(110)面. pH 7.50和pH 8.00时, 大部分的Zn在表面形成了结构类似于沉淀样品的多核羟基络合物, 其中0.311 nm Zn—Zn距离对应两个Zn八面体连接, 而0.353 nm Zn—Zn距离对应Zn八面体和Zn四面体连接.     

腐殖酸与锕系金属离子相互作用的研究进展

本文从腐殖酸的结构和存在形式、与锕系金属离子相互作用等两方面简要总结了近年来相关实验和理论研究进展。研究显示,腐殖酸主要通过羧基与锕系离子形成配位复合物,进而影响锕系离子在环境中的迁移。地质环境中的pH、离子强度、矿物表面等都会对腐殖酸与锕系离子的相互作用产生影响,尤以pH的影响最为显著。在较低的pH条件下,腐殖酸的出现一般会促进锕系离子在一些矿物表面的吸附;而在中性或者碱性条件下,则会减弱锕系离子在矿物表面的驻留。腐殖酸对具有氧化活性的锕系离子表现出来的还原性主要来自于还原态的醌式结构单元以及酚羟基。在还原态硫含量较高的腐殖酸中,硫也会参与氧化还原反应。论文还从实验和理论两方面展望了未来腐殖酸与锕系相互作用的研究前景。     

Mg/Fe类水滑石的磷酸根吸附性能及吸附机理

采用共沉淀法成功制备了Mg/Fe类水滑石(Mg/Fe-hlc),并研究了其对废水中磷酸根的吸附性能及吸附机理。研究结果表明:制备的Mg/Fe-hlc具有典型的类水滑石结构和较大的比表面积(156.7 m~2·g~(-1));Mg/Fe-hlc对磷酸根的吸附动力学过程符合准二级动力学模型;Langmuir和Tempkin方程都可以很好地拟合Mg/Fe-hlc对磷酸根的等温吸附数据,Langmuir方程拟合得到的最大吸附量可达47.38 mg·g~(-1);共存阴离子NO_3~-、Cl~-和SO_4~(2-)对磷吸附性能的影响很小;通过分析吸附磷酸根前后的Mg/Fe-hlc的结构和织构性质以及表面官能团变化,并结合溶液pH对磷酸根吸附影响实验结果,发现静电相互作用、配体交换和阴离子交换是Mg/Fe-htl吸附磷酸根的三种主要机制。     

论文Eu(Ⅲ)在Na基高庙子膨润土上的吸附作用:实验和构模研究

采用连续电位滴定法研究了不同离子强度下Na基高庙子膨润土(Na-BNT)的表面酸、碱性质;用批式法研究了温度为22±2℃时,离子强度从0.001到0.5mol/L、Eu(Ⅲ)浓度从10-9到10-4mol/L、pH从3到10.5的广泛实验条件下,Eu(Ⅲ)在Na-BNT上的吸附作用;通过考虑发生在层间位点(layersites)和边位点(edgesites)上的表面反应,对比了双层静电模型与非静电模型对宏观实验数据的描述,结果表明,双层静电模型可以描述Na基高庙子膨润土的表面酸碱性质,但对除I=0.1mol/L以外其他离子强度下Eu(Ⅲ)的吸附难以作出合理描述;非静电模型可以定量描述广泛实验条件下Eu(Ⅲ)在Na基高庙子膨润土上的吸附作用,但对pH>8时Na基高庙子膨润土的表面酸碱性质的描述不够理想;研究结果为解释和预测+3价镧系和锕系元素在高庙子膨润土上的吸附作用提供了模型参考.     

交联羧甲基魔芋葡甘聚糖对Fe(Ⅲ)和Cr(Ⅲ)的吸附行为研究

研究了交联羧甲基魔芋葡甘聚糖(Crosslinked carboxymethyl konjac glucomannan,CCMKGM)对Fe(Ⅲ)和Cr(Ⅲ)的吸附行为。用FTIR和RAMAN对吸附产物进行表征。结果表明,CCMKGM主要以配位的形式吸附Fe(Ⅲ)和Cr(Ⅲ);吸附在60min内达到平衡,遵从二级动力学方程,其中Cr(Ⅲ)较好地符合粒子内扩散模型;pH对吸附量影响较大,适宜范围为3.0～7.0;CCMKGM对Fe(Ⅲ)的吸附行为符合Langmuir方程,而对Cr(Ⅲ)的吸附行为符合Freundlich方程,其最大吸附量分别为2.7mmol/g和2.2mmol/g(298K);吸附为自发的、吸热的、熵增加过程。CCMKGM对Fe(Ⅲ)和Cr(Ⅲ)的吸附具有吸附容量大、适宜pH范围宽、再生性好等特点,有望将其作为吸附剂用于污水处理及铁和铬的形态分析。     

壳聚糖改性磁性碳基吸附剂的制备及其对水中Cr(Ⅲ)-EDTA的吸附机理

利用二茂铁制备磁性碳基材料(Fe_3O_4@C),通过壳聚糖(CS)功能化,制备CS改性Fe_3O_4@C复合吸附材料(Fe_3O_4@C-CS)。利用红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、振动样品磁强计(VSM)、热重分析(TGA)和X射线光电子能谱(XPS)等对Fe_3O_4@C-CS表征分析,并通过改变浓度、温度、时间、pH和阳离子等条件系统研究对水中已配位的三价铬(Cr(Ⅲ)-EDTA)的吸附性能。结果表明Fe_3O_4@C已经成功被CS功能化,在pH=4.0、反应温度25℃、投加量0.4 g·L~(-1)时,吸附等温线符合Langmuir模型,理论最大吸附量为12.63 mg·g~(-1),吸附动力学符合拟二级动力学模型,吸附行为是自发进行的吸热过程。结合吸附实验结果和XPS表征分析,静电吸附和配位作用是Fe_3O_4@C-CS吸附剂去除水中Cr(Ⅲ)-EDTA的主要机制。4次吸附-脱附循环后,Fe_3O_4@C-CS对水中Cr(Ⅲ)-EDTA仍具有较高的吸附效率。     

分子动力学方法模拟不同温度下铀酰在叶腊石上的吸附和扩散行为

采用分子动力学方法研究了铀酰在叶腊石表面的吸附和扩散。在碳酸根离子存在的情况下,探究了温度对铀酰吸附和扩散的影响。碳酸根离子与铀酰存在较强的作用力,不同数目的碳酸根离子与铀酰结合会形成多种铀酰种态。在不同温度的模拟中,得到了UO_2~(2+)、UO_2CO_3、UO_2(CO_3)_2~(2-)、UO_2(CO_3)_3~(4-)四种铀酰种态和铀酰聚合物。通过原子密度图,观察了粒子在溶液中的分布情况。发现UO_2~(2+)+和UO_2CO_3容易吸附在叶腊石上,而UO_2(CO_3)_2~(2-)和UO_2(CO_3)_3~(4-)主要存在于扩散层中。随着时间的推移,越来越多的碳酸根离子与铀酰配位,使得铀酰在叶腊石上的吸附逐渐减少。本文计算了不同温度下,各铀酰种态的扩散系数。在扩散层中,各种态的扩散系数随温度的变化较为一致,而在吸附层中,UO_2~(2+)和UO_2CO_3的扩散速率随温度的变化较UO_2(CO_3)_2~(2-)和UO_2(CO_3)_3~(4-)慢。但是在同一温度下,同一个吸附层或扩散层中,铀酰种态的扩散系数大小顺序始终保持不变:UO_2~(2+)UO_2CO_3UO_2(CO_3)_2~(2-)UO_2(CO_3)_3~(4-)。说明在碳酸根存在的情况下,UO_2~(2+)可能是主要的扩散形式。     

氨基膦酸树脂对钕(Ⅲ)的吸附性能

研究了氨基膦酸树脂对钕(Ⅲ)的吸附行为。当pH=5.70时,氨基膦酸树脂对钕(Ⅲ)的静态饱和吸附容量为199.74 mg/g,用1moL/L HCl溶液可以定量洗脱,当T=298 K时,表观吸附速率常数为1.68×10~(-4)s~(-1),吸附热力学参数△H=60.68 kJ/mol,△G=-14.91 kJ/mol,△S=253.65 J/(mol·K),等温吸附服从Freundlich曲线,氨基膦酸树脂功能基与钕(Ⅲ)的配位比为2:1。用红外光谱探讨了氨基膦酸树脂与钕(Ⅲ)的成键情况。     

Se(IV)在北山花岗岩上的吸附

采用批式法研究了粉碎的甘肃北山花岗岩样品(BS03, 600 m)对Se(IV)的吸附作用. 实验结果表明: 在pH 3-7范围内, Se(IV)的吸附分配比(Kd)基本不随pH变化; 当pH > 7时, Se(IV)在北山花岗岩上的Kd随pH的增大而减小. Se(IV)在北山花岗岩上的吸附不随离子强度变化. 北山地下水条件下的Ca2+(4.10×10-3 mo·lL-1)和SO42- (3.17×10-3 mo·lL-1)对Se(IV)的吸附没有影响. 此外, Se(IV)/Eu(III)/北山花岗岩三元吸附体系的实验结果表明, Se(IV) (1.46×10-5 mo·lL-1)和Eu(III) (3.33×10-6 mo·lL-1)在北山花岗岩上的吸附作用相互之间没有表观影响. 通过假定HSeO3-在广义的吸附位点≡SOH上发生了生成≡SHSeO3和≡SSeO3-的两个表面配位反应, 定量解释了Se(IV)的吸附实验结果.