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功能化壳聚糖基材料制备及其铀提取性能研究

摘要

在众多的可再生能源中，核能因其能量密度高、清洁环保等特点被认为是最具有应

用前景的化石能源替代品之一。铀是核工业领域的关键元素，海洋中约有45亿吨铀，

是陆地中铀的1000倍，海水提铀被认为是解决日益增长的铀需求的有效方式。壳聚糖

价格低廉、来源广泛、具有抗菌性能，存在氨基和羟基，易于修饰改性，因此被视为一

种具有巨大潜力的铀吸附材料。然而，在实际应用中，其存在吸附位点有限、吸附选择

性较差以及回收困难等问题，限制了在铀吸附领域中的广泛应用。本论文中利用氨基、

偕胺肟基等有机官能团以及层状双金属氢氧化物（LDHs）、石墨相氮化碳（g-CN）、

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硫化镉（CdS）、金属有机骨架（UiO-66(Ce)）等无机纳米材料对壳聚糖进行修饰，并将

其功能化为水凝胶、微球、共混膜、纳米纤维和海绵，设计一系列性能优异、便于回收

的提铀材料，具体研究内容如下：

使用化学交联法，以戊二醛为交联剂制备了壳聚糖水凝胶（CS-n-GA，n=1~5）。

CS-n-GA水凝胶呈片层结构堆叠形成的网状结构。静态吸附实验结果表明，吸附过程为

化学吸附控制的单分子层吸附，CS-2-GA水凝胶饱和吸附容量为134.71±3.72（pH=5）

和161.08±3.37mg·g-1（pH=8）。动态吸附实验结果表明，CS-2-GA水凝胶对低浓度铀

溶液具有良好的吸附能力。实验表征及理论计算结果表明，当铀主要以UO2+形式存在

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时，UO2+与CS-n-GA中活性吸附位点之间发生配位螯合作用；当铀主要以UO(CO)4-形

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式存在时，分子间氢键在吸附中起主导作用。

通过将MOF衍生的Co-NiLDHs作为纳米填料填充到聚乙烯亚胺改性的壳聚糖中，

制备了LDHs@氨基修饰的壳聚糖基微球（DNPM）。DNPM微球呈多孔蜂窝状结构，具

有良好的亲水性及抗菌性，并且吸附性能显著提升。静态吸附实验结果表明，当溶液初

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始浓度为150mg·L，pH值为6时，吸附容量为334.13±2.13mg·g；在模拟海水条件

下，对铀和其他金属离子的选择性系数（SU/Metal）均大于9。动态吸附实验结果表明，

DNPM-3微球的吸附性能随柱床高度增加而增大。吸附机制为DNPM-3微球中活性位点

与铀酰离子的配位和静电相互作用。

使用相转化法制备了兼具高通量、良好抗菌和提铀能力的壳聚糖基共混膜（PCP）。

PCP-2膜的水通量是表面胺肟化改性的PCAP膜的9.7倍。静态吸附实验结果表明，PCP-2

膜的吸附过程为化学吸附控制的单分子层吸附；在模拟海水中，除钒以外，铀与其他金

属离子的选择性系数（SU/Metal）均大于19，展现了优异的吸附选择性；对铀加标模拟海

哈尔滨工程大学博士学位论文

水中铀的去除率高于82%。动态膜吸附实验结果表明，PCP-2膜的吸附性能与膜层数成

正比，与流速成反比。吸附机制归因于铀酰离子与PCP-2膜中氨基、羟基及偕胺肟基的

相互作用。

为进一步提升提铀性能，使用静电纺丝技术制备了具有吸附-光还原双重功能的壳

聚糖基纳米纤维（SN-ACP）。6%SN-ACP纳米纤维中的壳聚糖具有抗菌能力，并且在

光照条件下，纳米纤维所产生的·OH进一步提高了材料的抗菌性能。吸附-光还原提铀

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实验结果表明，当溶液初始浓度为150mg·L时，6%