基于同步辐射技术的偕胺肟基纤维对铀的选择吸附机制研究

The ocean contains an abundant supply of uranium that, if captured, could supplement terrestrial stores and be used to meet the world’s future energy demands. The most widely utilized approach to extract uranyl out of seawater is by deployment of poly(acrylamidoxime) (poly(AO)) sorbents with radiation-induced-grafting. Polymer-bound amidoxime (AO) groups are able to sequester uranyl ions in seawater conditions yet are not entirely selective. Increasing the poly(AO) sorbent capacity for UO22+ is hindered by the simultaneous uptake of competing transition metals (primarily V(V), Fe(III), Cu(II)) and weakly binding but abundant alkaline earth elements (Na+, Ca2+, Mg2+). Understanding the relationship between the AO structure on the polymer sorbents and reactivity towards UO22+ and other metals is paramount to the realization of mining the world’s oceans. In this project, we aimed the mechanism study on the selective adsorption of uranium from AO PE Fibers. The adsorption mechanism and relationship between the structure and selective adsorption property of the functional materials will be investigated by infrared spectroscopy, X-ray absorption structure spectroscopy and soft X-ray spectromicroscopy of synchrotron radiation. Fiber morphology, functional group distribution and content and the internal structure information such as atomic coordination, U, V, Fe in the coordination in the process of adsorption will be carefully investigated in order to elucidate AO-PE fiber chemical structure and the relationship between the selective adsorption performance.With the AO PE fiber adsorption mechanism study of the U, V, Fe, this work may be expected to develop a new train of thought to improve selectivity of material and to provide reference for uranium extraction ocean engineering site.

将海水中的铀资源富集并加以利用可为我国核电事业稳定发展形成重要补充和保障。辐射接枝制备偕胺肟基(AO)纤维吸附材料被认为是最有望工业化的海水提铀方法。AO基吸附材料的选择性特别是铀(U)和钒(V)的选择性严重影响材料的吸附容量和使用寿命。本项目以研究影响AO基吸附材料的U和V选择性因素和机制为目标，拟利用同步辐射红外谱学及显微、X射线吸收谱学、扫描透射X射线显微技术，建立研究纤维官能团精细结构和海水中竞争离子Fe对材料U和V选择性影响的方法。从宏观到微观研究纤维形貌，官能团种类、分布和含量，纤维上各原子配位等结构信息，获得U、V、Fe在吸附过程中的配位差异，深入理解AO基聚乙烯(PE)纤维官能团精细化学结构、竞争离子和吸附性能的关系。本项目通过对AO基PE纤维吸附U、V、Fe的机理研究，发展一种提高材料选择性的新方法，为海水提铀用吸附材料的制备提供新的思路，为海水提铀海洋工程选址提供参考。

本项目以研究影响AO基吸附材料的U和V选择性因素和机制为目标，利用同步辐射红外谱学及显微、X射线吸收谱学、扫描透射X射线显微技术等技术，建立研究纤维官能团精细结构和海水中竞争离子Fe对材料铀/钒选择性影响的方法。系统研究结果表明AO基团与铀酰离子作用存在三种配位形式，辐射接枝法制备的AO基纤维吸附材料上AO基团与铀酰以螯合配位形式为主。Fe对材料上AO基团的铀/钒选择性有利。此外，材料的微观形貌是决定材料吸附性能和选择性的关键因素，纳米结构可提高材料的吸附容量和铀/钒选择性。.鉴于以上结果，本项目首次使用化学接枝（CIGP）与辐射接枝（RIGP）联合，制备出具有3D分级多孔结构的高比表面积偕氨肟基（H-ABP）纤维吸附材料。系统研究了两步接枝法工艺条件与吸附材料性能的关系。研究结果表明H-ABP纤维吸附材料上构建出3D分级多孔结构、功能聚合物纳米颗粒，且纤维吸附材料的形貌结构以及比表面积高度可控。H-ABP纤维吸附材料具有10次以上的使用寿命；在天然海水中吸附90天后，对U的吸附容量达到了11.50 mg/g，在真实海水中吸附容量首次突破个位数量级。由于纳米结构的受限空间效应H-ABP纤维吸附材料在天然海水中对U的吸附容量高于V，颠覆了传统AO基吸附材料铀/钒选择性低的现状。采用超高分子量聚乙烯纤维为基材，进一步获得具有贯通纳米孔道的高强度纤维吸附材料，材料在真实海水中对U的吸附容量达到17.57mg-U/g-吸附能力，使用寿命达到30次以上。这种新型的海水提铀用吸附材料的合成方法（RIGP-CIGP）对于海水提铀工业化具有重要的意义。.本项目从宏观到微观研究纤维形貌，官能团种类、分布和含量，纤维上各原子配位等结构信息，获得U、V、Fe在吸附过程中的配位差异，深入理解AO基纤维官能团精细化学结构、竞争离子和吸附性能的关系。本项目通过对AO基PE纤维吸附U、V、Fe的机理研究，发展一种提高材料吸附容量和吸附选择性的新方法，为海水提铀用吸附材料的制备提供新的思路，为海水提铀海洋工程选址提供参考。

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