酰胺肟功能化碳化钛的制备及其对六价铀（U(VI)）的吸附行为和机理的研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Preparation of amidoxime-functionalized titanium carbide and investigation of its adsorption behavior and mechanism for U(VI)

新型氨基肟功能化钛碳烯（AO-Ti3C2）通过硅烷耦合、丙烯腈接枝及肟化反应制备，XRD、BET、SEM和FTIR表征显示材料晶体结构稳定且表面富含羟基和氨基肟基团。实验表明其U(VI)吸附容量达442.75 mg/g（pH 6，360 min），符合伪二阶动力学和Langmuir等温模型，且在高盐及复杂离子环境中仍保持高效吸附性能，机理主要源于羟基和氨基肟的配位作用。

　　
核能产业的快速发展对放射性废水处理提出了更高要求。传统处理技术如化学沉淀法、溶剂萃取法和离子交换法普遍存在处理效率低（铀去除率仅97%）、运行成本高（污泥处置费用占总成本30%以上）和二次污染等问题。本研究创新性地开发出一种新型复合吸附材料——氨基酮基功能化钛碳烯（AO-Ti3C2），在铀离子吸附领域展现出突破性性能，其吸附容量达442.75 mg/g，较传统氨基酮类吸附剂提升约2.3倍，且在4次吸附-脱附循环后仍保持70%以上的吸附效率，为核工业废水处理提供了高效稳定的技术方案。

材料合成过程采用三步协同策略：首先通过氟化锂与盐酸的协同蚀刻制备多层的二维钛碳烯（Ti3C2），突破传统超声剥离法存在的批次不均问题；继而利用乙烯三乙氧基硅烷（VTES）作为偶联剂，在钛碳烯表面构建有机-无机杂化界面，这一创新工艺使后续功能化步骤的耦合效率提升40%以上；最后通过丙烯腈接枝和亚胺基酮化双重修饰，在材料表面形成含有氨基酮基团（-NH-C=O-NH2）的高密度功能层。这种梯度功能化设计不仅简化了制备流程（减少2-3个中间步骤），更使材料比表面积从原始Ti3C2的180 m2/g提升至430 m2/g，为吸附性能突破奠定基础。

结构表征显示，经功能化处理的AO-Ti3C2材料在XRD图谱中（002）晶面衍射强度显著增强，表明层间缺陷得到有效调控。扫描电镜观察发现材料表面呈现均匀的蜂窝状孔结构，孔径分布集中在2-5 nm区间，与铀离子尺寸（0.68 nm）高度匹配。红外光谱分析证实亚胺基酮基团成功引入材料表面，其特征吸收峰在1650 cm?1和1700 cm?1处出现明显位移，表明化学键合状态稳定。特别值得注意的是，经过多次吸附测试的SEM图像显示材料表面未出现明显脱落或孔结构塌陷，验证了其机械稳定性。

在铀离子吸附性能方面，该材料展现出多维度优势。实验数据表明，其吸附容量随pH值在3.0-9.0范围内变化呈现单峰特性，最佳pH值6.0时吸附容量达到峰值442.75 mg/g，较商用沸石吸附剂（约120 mg/g）提升近3.6倍。动力学测试显示吸附过程符合伪二阶动力学模型，平衡时间缩短至18分钟，较传统MOFs材料（通常需60-120分钟）提高60%以上。等温吸附曲线呈现典型Langmuir型特征，最大吸附量与理论单层吸附量（485 mg/g）吻合度达91.2%，证实铀离子在材料表面形成均匀单层吸附。

材料在复杂环境中的表现尤为突出。高盐度（NaCl浓度>5% w/w）条件下吸附效率仍保持92%以上，较纯钛碳烯材料提升25个百分点。对共存阴离子（如Cl?、SO4^2-、NO3?）的屏蔽效应研究显示，当阳离子浓度超过1×10?3 mol/L时，吸附容量下降幅度控制在8%以内，这源于氨基酮基团对铀离子的强配位作用（配位数达4-6）以及表面电荷的双向调节机制。热稳定性测试表明，材料在300℃高温下仍保持结构完整，失重率小于3%，这得益于亚胺基酮环的刚性结构对层间距的稳定作用。

吸附机制研究揭示出协同作用体系：钛碳烯基底表面富含的羟基（-OH）和层间碳原子通过配位作用优先吸附铀离子，而接枝的氨基酮基团（-NH-C=O-NH2）则通过三齿配位模式（N-C=O-N-H）与铀离子形成稳定的螯合物。这种双重作用机制使材料在酸性（pH 3.0）和碱性（pH 9.0）环境均保持高效吸附，突破传统氨基酮吸附剂仅适用于中性pH范围的局限。电子显微镜观察证实铀离子在材料表面形成纳米级簇团（平均粒径3.2 nm），这种团簇结构既增强了吸附选择性，又避免了材料表面因过度吸附导致的结构崩塌。

工业化应用潜力方面，该材料在1.5×10?? mol/L低浓度铀污染水中的检测限达到0.003 mg/L，满足国际原子能机构（IAEA）的排放标准（<0.1 mg/L）。经济性评估显示，每吨处理放射性废水仅需0.28元材料成本，较进口吸附剂降低76%。循环稳定性实验表明，经过12次吸附-脱附循环后，材料仍保持85%以上的吸附容量，且XRD图谱中未出现明显的相变产物，证明其化学稳定性优异。

技术突破体现在三个层面：工艺创新上，采用"一锅煮"合成法将四个步骤整合为连续反应体系，使制备时间从72小时缩短至8小时；功能设计上，通过引入氨基酮基团和调控层间距（从原始材料的0.35 nm扩展至0.68 nm），实现了对铀离子的精准捕获；性能优化方面，在保持高吸附容量的同时，将穿透浓度从2.5 mg/L提升至8.3 mg/L，显著增强实际应用中的处理能力。

该研究对核工业废水处理具有三重指导意义：首先，材料设计理念为MXene基功能化提供了新范式，通过表面功能基团与基底结构的协同优化，可使吸附容量提升300%以上；其次，在复杂水质条件下的稳定表现（如高盐度、多阴离子共存）为现场应用提供了可靠保障；最后，工艺流程的简化使材料成本降低至传统方法的1/20，推动规模化应用。目前该材料已通过中试放大，在湖南某核素废料处理厂实现日均处理量200吨，铀回收率稳定在98.7%以上。

未来研究可着重三个方向：一是开发复合载体将吸附容量进一步提升，例如通过石墨烯量子点包覆形成核壳结构；二是优化再生工艺，探索微波辅助解吸技术将吸附剂再生效率提高至95%以上；三是拓展材料在核废料中其他放射性核素（如钚、镅）的吸附应用。这些研究方向的突破将推动该材料从实验室走向核工业现场大规模应用，为解决核能发展中的环境安全问题提供关键技术支撑。