摘要
核能作为一种高密度、无污染的清洁能源，成为21世纪以来有望替代传统化石能源的新型能源。铀作为一种重要的核燃料，保证铀资源的高效开采和利用是解决核能可持续发展的关键。目前陆地上的铀矿石作为铀资源的主要来源，受到储量有限的严重制约，而海洋中含有大量的铀资源，大约是陆地上的1000倍。因此，开发高效、便捷、经济的海水提铀技术成为核能利用的关键。吸附法由于其高效、便捷、无污染等特点，成为海水提铀领域广泛研究的方法之一。由于海水中铀离子的低浓度（～3.3ppb）和大量共存离子大大增加了铀元素的提取难度。因此，开发具有高吸附量、高选择性的吸附剂是解决当前问题的关键。而金属-有机框架材料（MOFs）具有大的比表面积、可设计性和功能化等优点，使其在吸附领域具有广阔的应用前景。然而纯的MOF材料缺少相应的活性官能团，使其在吸附容量和选择性方面存在不足，通过改性接枝活性官能团可以有效增强其吸附容量和吸附选择性。而且通常情况下，MOFs呈现粉末状，在水体处理过程中会造成大量的损失。因此将其负载到气凝胶材料上可以有效地减少吸附剂材料的损失，有效的节约成本。 在本文中，选用耐水腐蚀性良好的UiO-66系列金属有机框架材料，针对海水提铀材料吸附容量有限、选择性差和回收困难等问题，做出了以下工作。 （1）通过官能团修饰制备了含有不同氮位点的咪唑环配体的UiO-66-L2和UiO-66-L3。铀吸附实验结果表明，它们的最佳pH均为9,导致这种结果的原因一部分是由于它们在碱性条件下的zeta电位为正，而U（Ⅵ）在碱性条件下以（UO2）3（OH）7-负离子形式存在，电荷引力的作用增加了其在碱性条件下的吸附容量。吸附容量分别为487.4 mg g-1和415.2 mg g-1，且UiO-66-L2的理论最大吸附容量高达2526.3 mg g-1。由实验结果分析可得，在吸附铀酰离子之后，N 1s的XPS能谱峰位置发生偏移，并且出现了新的O=U=O峰，这表明氮位点对铀吸附性能有着明显的影响，因而氮位点含量较多的UiO-66-L2的铀吸附性能明显高于UiO-66-L3。 （2）通过功能化处理，使用UiO-66-2CN作为前驱体对其进行改性成功制备了含有双胺肟基的UiO-66-2AO。铀吸附实验结果表明，其最佳pH为5,吸附容量为299.6 mg g-1，是含有单个胺肟基的UiO-66-AO（106 mg g-1,pH=5.5）的近3倍。此外，UiO-66-2AO还具有较快的吸附动力学，在4 h左右就达到了吸附平衡，并且，由于增强了胺肟基的密度，使其对U（Ⅵ）具有优秀的吸附选择性。 (3)选择吸附性能最好的UiO-66-L2与羧甲基纤维素钠进行复合成型，制备UiO-66-L2/纤维素复合气凝胶。其球状形态具有更好的物理学性质，方便储存和运输，并且UiO-66-L2/纤维素复合气凝胶小球内部分布着放射状孔道，UiO-66-L2分布在孔道内壁，铀酰离子可以方便的通过并且被捕获，从吸附后的mapping图中可以看出铀酰离子已经被成功地捕获到小球内部。而且经过复合成型以后，UiO-66-L2/纤维素复合气凝胶依旧保持着良好的吸附性能，约为UiO-66-L2粉末的80％,同时其循环吸附性能得到了提升，在循环吸脱附5次后，去除率仅下降了5％,并且在动态吸附模拟海水的实验中，仅用了 16天就可以完全去除水体中的铀酰离子。具有广阔的应用前景。 本文对UiO-66系列MOFs做出的改性与复合成型成功的提升了 UiO-66系列吸附剂材料的吸附容量和吸附选择性，并且负载到纤维素气凝胶上大大增强了其可回收性和重复使用性，为铀吸附材料的设计与成型提供了一种策略。
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