仿生合成sio,2纳米干凝胶及其应用

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1、天津大学博士学位论文仿生合成SiO<,2>纳米干凝胶及其应用姓名：张裕卿申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：王榕树;林灿生2000.8.1摘要(在动力堆的高放废液中含有大量的锆，浓度可达o．olmol／L(19／L)。在用磷酸i丁酯为萃取剂的Purex流程中，锆很容易与磷酸三丁酯的降解产物络合，≥成沉淀，使萃取过程的传质造成困难，难于进行正常的后处理操作。因此在后处理流程有必要除去锆，以消除对Purex流程的不良影响。硅胶对裂片产物中的钻具有选择性很高的吸附性能，因此很多科学家对此进行了大量的研究。假市售硅胶对锆的吸附容量不高，因此严重的影响了

2、硅胶的工业化的使用。随着现代科!毒技术的发展，利用仿生合成技术并通过“分子设计”和“化学剪裁”的手段制备和组装}{{各种纳米材料已经成为现实。近年来，采用聚乙二i醇为改11{j刹，币硅酸乙哺为前驱体合成出纳米siO二干凝胶，但是这种方法存在着所用原料比较昂贵，反戍周期长等缺点。因此我们通过加入非离子表面活性剂作为添加剂，以特酸和水玻璃为原料，制备时通过控制一次粒子的生长和堆积，从而研制出商比表面积、高吸附活性的纳米级sjO!干凝胶。并对酸性溶液和模拟高放废液I{I的钻进行了吸附应用。具体的研究内容如下：第一，研究了各种合成条件对si02纳米干凝胶结构

3、的影响。学察了水玻璃浓度、盐酸浓度、表面活性剂、老化时间和煅烧温度对si02纳米F凝胶E々比表f面积、jL径和孔径分布的影响，从而确定出适宜的合成条件。傍察了表面}；性剂＼对si02溶胶粒子的影响，结果发现表面活性剂对si02溶胶粒子具有包裹的作用，限制了一次溶胶粒子的生长，并进一步促使si02溶胶粒予连接，形成网络结构。IR谱图表明，低温时易脱除吸附水和缔合羟基，高温时易脱除单羟基(孤立)和双羟基。3500cm。处的宽峰是缔合羟基的吸收峰，3750cm。1处的尖峰是11山羟基(一OH)吸收峰。随着温度的升高，缔合羟基的宽吸收峰逐渐降低，说坩占容易通

4、过脱水被除掉。X—ray射线衍射图表明，si02纳米f凝胶具fr典型fq无定形结构。SEM表明si02r

5、凝胶是t维网状结构。TEM表明si02纳米{：凝胶存在着多孔性结构。寸、第二，研究了si02纳米千凝胶对酸性溶液小和模拟高放废液巾锆的选择吸附性能。考察了溶液pH值、湍艘和sjoj纳米}：凝胶的粒度对吸附的影lI轧结粜发现sioj纳米干凝胶对锆的等温I吸附符合Langmuir方程。研究了sm纳米丁凝胶的再生率和在酸溶液中的稳定性，结果表明siO：纳米干凝胶的再生率较高，在酸中的稳定性强。用油中成型法对SiO!纳米干凝胶进行成型，并进行：r动态吸附

6、实验，结果表明，白润滑油作为成型介质最好。在动态吸附中，溶液流速较慢时，柱的穿透的就较较慢：当流速较快时，则吸附柱穿透的就快：当溶液酸度高时，吸附柱容易被穿透：当温度高时，穿透的慢；当sim粒度小时，吸附杠穿、透的就快^J，第三，采用分形儿何的手段对sio二“疑胶的形成机理进行了分析。【结果表明，si02的溶胶和凝胶的形成过程都存在着分形几何规律特征。老化时问圭，溶胶的分形维数就大：表面活性剂的链越长溶胶的分形维数就越小。胶凝时问K，si02F凝胶表面分形维数小。煅烧温度商，si021：凝胶表面分形维数小^第四，通过锆在水溶液中的存在特性和si02{

7、一凝胶表面特性的分析，研究了si02于凝胶对锆的吸附机理。临果表明，锆在水溶液中很容易水解，7k解的彤式很多，水解形式随pH值不同而发生变化；si02纳米干凝胶表面羟基{≠在=i种形式，即孤立的(单的)、双生的和缔合的；si02干凝胶的单位羟基数和比表面积较高，提供了较多的吸附活性位；si02干凝胶对锆的吸附是以f乜荷为零或低价的的水解形式吸附的，即zr(oH)4和z(D刖；的形式。在模拟高放废液“一，钻很容易水解，而其它的元素离子在酸性条件下，均以离子形式存在，因此{a难在si02于凝胶的表面上吸附。另外，由于锆容易水解，它很容易与si02千凝胶的

8、、表面的羟基发生络合作用，最终以zr(oH)4或z，(o啊)；的形式吸附在它的表面ij。寸／本文的创新之处是：1．运用仿生合成的方法，通过加入非离f表面活性剂作为添加剂和I^盐酸及水玻璃为原料，合成⋯si02纳米于凝胶。2．采用分形儿何的手段对si02纳米干凝胶形成过程的影响因素进行了分析和讨论。3．系统研究了si02纳米于凝胶对锆的吸附机理，并用表面络合模，理进行了描述。关键词：si02r凝胶y仿乍合成，纳米材}∥表面活性剂‰形儿t，『’成J弘钻模拟高放废液，吸附，选择吸附，除锆，Purex流程．√AbstractInhiglllevelradio

9、activeIiqu-dwaste(HLLW)theconcentrationofZirconiumIeac