多孔性硅基吸附剂的开发及其对放射性污染废水的处理研究

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1、申请上海交通大学工学博士学位论文多孔性硅基吸附剂的开发及其对放射性污染废水的处理研究学校：上海交通大学院系：机械与动力工程学院班级：A1102092学号：0110209138博士生：陈梓专业：核能科学与工程导师：韦悦周教授上海交通大学机械与动力工程学院2015年4月ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofPhilosophyDoctorDevelopmentofMacroporousSilica-basedAdsorbent

2、sandStudyonTheirApplicabilitytoRadioactiveContaminatedWastewaterTreatmentAuthor:ZiChenSpecialty:NuclearScienceandEngineeringAdvisor:YuezhouWeiSchoolofMechanicalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.China04.2015上海交通大学博士学位论文摘要上海交通大学博士学位论文多孔性硅基吸附剂的开

3、发及其对放射性污染废水的处理研究摘要核能给人类带来了清洁能源，但同时也会产生大量的放射性污染废水。有效地去除放射性污染废水中的放射性核素，对生态环境有着极其重要的意义。对于不同类型的放射性污染废水，处理的方法和手段也不尽相同。本论文以合成新型多功能吸附材料以及高效处理事故废水为目的，重点研究了利用多孔型二氧化硅作为载体，首次合成了硅基钛酸盐无机盐类吸附剂，并对放射性核素锶的吸附行为进行了评价。同时，合成了超分子有机/无机复合型吸附剂，对多种核素（Cs、TRU等）在不同的模拟废水体系（酸性系、海水系）条件下进行了

4、吸附性能以及作用机理的评价。柱分离技术在放射性污染废水处理中有着广泛的应用，与传统柱子填充材料相比，本文合成使用的多孔性硅基复合吸附材料表现出快速的吸附反应动力学特征，极大提高了柱分离技术在工程上的应用效率。福岛第一核电站产生了大量的放射性污染废水，通过ALPS系统对这些放射性核素的去除需要花费超过20年的时间。由于事故废水中存有大量的竞争阳离子2+2++比如Ca、Mg、Na等，且事故废水的pH为中性，故相对于其它放射性核素，90从事故废水中将Sr去除是一件非常困难而又复杂的任务。本文以去除反应堆事故废水中锶为

5、目标，以福岛核事故废水为例，展开研究和讨论。通过Sol-gel方法合成了硅基K2Ti6O13/SiO2复合纳米吸附材料。通过对K2Ti6O13/SiO2吸附剂进行I上海交通大学博士学位论文摘要XRD、SEM、EDS的分析表征，表明了K2Ti6O13纳米材料被成功地担载到SiO22+中。通过对吸附Sr前后的吸附剂的EDS分析，表明了K2Ti6O13/SiO2的离子交换+2+反应是在吸附剂中的K与Sr之间进行。通过对K2Ti6O13/SiO2的吸附性能进行研究和讨论发现，在298K，K2Ti6O13/SiO2离子交

6、换率高达58.5%~78.8%，在吸附2+反应前60分钟内，K2Ti6O13/SiO2对Sr的吸附百分比高达83%以上，充分体现了纳米材料在离子交换反应中的极大优势。将合成的K2Ti6O13/SiO2填充到分离柱中，采用福岛放射性的模拟废水对锶进行柱子分离的热试验，表明了K2Ti6O13/SiO2吸2+附剂能够非常快速高效地从高盐度的福岛废水中去除放射性核素Sr。课题研究中，还评价了竞争离子对吸附的影响，以推广应用到一般的反应堆事故污染废水处理。针对去除核燃料处理设施泄漏的放射性污染废水中的铯，本文使用十二烷基

7、苯磺酸（DBS）修饰剂对1,3-[(2,4-二乙基-庚基乙氧基)氧基]-2,4-冠-6-杯[4]芳烃（Calix[4]arene-R14）大分子进行修饰，合成(Calix[4]+dodecanol+DBS)/SiO2-P硅基吸附剂。通过吸附反应发现(Calix[4]+dodecanol+DBS)/SiO2-P在0.5～3M+硝酸酸度范围内均对Cs表现出非常好的选择吸附性能。含有DBS吸附剂克服了+(Calix[4]+dodecanol)/SiO2-P仅在高硝酸浓度下对Cs才表现出好选择性能的缺点。通过对吸附反应

8、机制研究发现，DBS耦合配位作用促进了吸附剂在低酸溶液中的吸附反应速率。研究结果表明了吸附剂能够快速高效地去除酸度较低的核燃料设+施泄漏的放射性污染废水中Cs。同时还研究了影响吸附剂化学稳定性和辐照稳定性因素，并证实了DBS能够有效地减缓γ辐照对Calix[4]arene-R14降解。针对去除核事故污染海水中的超铀元素，本论文研究了TODGA/SiO2-P吸附剂在NaCl体系下对三价稀