功能化竹篾纤维的制备及其铀吸附性能研究.pdf

摘要

摘要

核能因其具有超高能量转换效率和零温室气体排放特性，可进一步缓解化石能源的

过高依赖性以及使用过程所引起的环境污染问题，成为了可行的能源解决方案。然而，

铀作为重要的核能原料，陆地铀矿含量有限且开采困难，海水提铀是解决此类问题的方

法之一。吸附法具备吸附效率高，吸附选择性好和经济成本低等特点，广泛的应用于海

水提铀领域。竹篾纤维（BS）具有抗菌性能、较高的孔隙率和较强的韧性等特点，且其

表面富含大量的羟基基团，可应用于海水提铀。本论文以竹篾纤维作为基底材料，通过

表面羟基修饰、偕胺肟化处理、MOF负载和胍基接枝改性等对其进行改性，探究材料的

铀吸附性能、吸附选择性、循环利用性和抗菌性能等，具体内容如下：

利用酯化反应和脱水缩合反应将4-氰基苯甲酸和4-氨基-1萘甲腈分别接枝至竹篾

纤维上，再通过盐酸羟胺水解法将上述材料中的氰基转变为偕胺肟官能团，制备4-苯基

偕胺肟化竹篾（ABOBS）和4-萘基偕胺肟化竹篾（ANOBS）材料。根据水接触角测试

和抗菌性能测试发现ABOBS、ANOBS的亲水性能和抗菌性能均有提升。此外，ABOBS

-1

和ANOBS的最佳吸附pH值均为6.0，且铀吸附容量分别可达到174.6mgg和176.2

mgg-1。将ABOBS和ANOBS吸附数据进行吸附动力学模型拟合发现两者拟合准二级

动力学模型的R2均大于0.99，说明化学吸附为主要步骤。ANOBS在第五次循环测试后

-1

的吸附容量为154.3mgg，脱附率可达74.3%，保持良好的可循环利用性，表明ANOBS

具有良好的可循环利用性。在浓度为3.5μgL-1的模拟海水测试中，ANOBS的铀去除率

可达78.5%。结合XPS分析，ABOBS和ANOBS铀吸附前后N和O元素的电子结合能

存在明显偏移，表明铀吸附过程中主要活性位点为含N和O元素的官能团。

以化学交联法合成的偕胺肟化竹篾（AOBS）为基底材料，采取溶液浸渍法将

Zn2+/Co2+负载在AOBS上，再以负载的Zn2+/Co2+作为配位中心位点，以2-甲基咪唑为

配体合成含Zn2+/Co2+的MOF负载AOBS吸附材料（AOBS@ZIF-8和AOBS@ZIF-67）。

-1

AOBS@ZIF-8和AOBS@ZIF-67在pH为4时达到最大吸附容量，分别为183.5mgg

和174mgg-1。AOBS@ZIF-8和AOBS@ZIF-67对铀酰离子展现良好的选择性，选择系

数KU分别为4019.1L·g-1和2500.5Lg-1。经过动力学模型拟合分析，AOBS@ZIF-8和

d

AOBS@ZIF-67的铀吸附进程均吻合准二级动力学模型，表明化学吸附为主要决速步，

以及吸附等温模型吻合D-R吸附等温线模型。在经过五次循环吸脱附试验后，

AOBS@ZIF-8和AOBS@ZIF-67的脱附率仍能分别保持71.62%和69.97%。结合

哈尔滨工程大学硕士学位论文

AOBS@ZIF-8和AOBS@ZIF-67吸附铀前后的XPS表征结果分析，N和O元素的结合

能发生明显偏移，表明N和O元素可作为AOBS@ZIF-8和AOBS@ZIF-67铀吸附活性

位点。

为了进一步提升吸附材料抗生物污损能力，通过将偕胺肟基和胍基依次接枝到氧化

竹篾（OBS）上合成胍基接枝偕胺肟化竹篾吸附材料（G-AOBS）。相比于BS和AOBS，

G-AOBS展示更优异的抗菌性能和超亲水性能，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率

分别可达91.1%和97.4%。G-AOBS的最佳铀吸附pH为4，其铀吸附容量可达201.4mg

g-1，是相同pH条件下