一种新型聚丙烯酰胺@蛭石/木质素复合材料对水溶液中铀酰离子的吸附去除性能研究

《Applied Radiation and Isotopes》：Adsorptive performance of a novel polyacrylamide@vermiculite/lignin composite for uranyl ion removal from water

　　

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  成功合成并表征了一种新型聚丙烯酰胺@蛭石/木质素 (PAA@VL) 三元复合材料。
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  合成的 PAA@VL 复合材料在从水溶液中去除 UO₂²⁺ 离子方面表现出高吸附效率。
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  聚丙烯酰胺、蛭石和木质素之间的协同作用提供了丰富的活性位点用于铀酰离子吸附。
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  PAA@VL 复合材料显示出作为可持续吸附剂从受污染水中去除和回收铀的相当潜力。
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  开发的复合材料提供了一种环境友好且经济有效的方法来修复放射性重金属。

引言

吸附是回收、去除或纯化溶液或气相中许多物种的首选方法之一，因为它具有实用、经济和环境可持续的特点 [1], [2], [3] 基于在固相表面的自发沉积，吸附过程被广泛使用，特别是用于从废水中去除污染物，如金属、染料和药物代谢物 [4], [5]，回收贵金属如金、银、铀和钍，以及在分析前富集待检测物种的过程中 [6], [7], [8], [9]。

选择合适的吸附剂是吸附过程中最重要的阶段之一。近年来，具有选择性、高吸附容量和速度、经济且环境友好的选择性吸附剂一直是研究最多的主题之一。在这方面，活性炭、粘土、沸石、纤维素、木质素和生物废物等天然吸附剂，以及合成聚合物和复合材料，是最受欢迎的吸附剂之一 [10]。特别是，最近的研究表明，多组分复合结构越来越受到吸附剂的青睐，因为除了其组分的性质外，它们的物理化学性质可以通过增加表面积、额外的官能团以及对强酸性和碱性条件的抗性来改善 [11]。

铀是一种重要的金属，因为它是核能的原料。鉴于其海水浓度为 3 μg L^-1 [12]，其在水环境中的含量是其最重要的来源之一，以这种方式回收被认为是一种经济地获取铀的方法。因此，吸附方法被认为是铀回收的可持续方法。然而，去除来自各种来源进入水环境并对人类和环境健康构成风险的铀是另一个方面。以六价铀（铀酰离子）形式存在于水环境中的铀，由于其放射性及其与各种生物分子形成的络合物，会在生物体中积累。这对人体健康产生负面影响，特别是肝脏、肾脏和骨骼，导致器官衰竭甚至死亡 [13]。在这方面，世卫组织确定的最大每日剂量为 1 μg 体重 kg^-1 天^-1 [14]。

复合吸附剂是通过组合多种组分以实现特定性质的混合材料。它们具有其组分的性质，并且在形成后可以获得新性质。在用作吸附剂的复合材料中，通过复合合成可以实现增强吸附容量的性质，如增加表面积、增强孔隙率和增加活性中心数量。此外，在实际应用中，可以获得额外的优势，如消除絮凝、结块和聚集等不良性质，增加在不同条件下的耐久性，并提高其可重复使用性。

基于粘土的聚合物复合材料经常用于吸附研究。利用粘土的大表面积，可以通过使具有金属亲和力但溶于水因此不能用作吸附剂的螯合剂与粘土表面相互作用来创建吸附剂复合材料。因此，新混合结构中结合了基质和掺入的活性结构的性质 [15]。

在本研究中，在蛭石（一种粘土矿物）和磺化木质素（一种对金属有高亲和力的天然聚合物）之间形成了复合材料，后者被包裹在聚丙烯酰胺水凝胶中。因此，利用蛭石和木质素开发了一种有用的吸附剂。这种结构促进了水凝胶内的实际使用，并与凝胶创造了溶液传递相。使用 SEM、EDX 和 FT-IR 对复合材料的结构进行分析。文献回顾显示没有关于使用 PAA@VL 杂化吸附剂作为去除 UO₂²⁺ 离子的吸附剂的研究。本研究调查了 PAA@VL 复合材料在去除 UO₂²⁺ 离子方面的吸附效率和可行性。PAA@VL 复合材料的吸附特性在高效去除放射性废物和环境保护方面提供了显著优势。在研究范围内检查了浓度、时间、pH 值和温度对吸附的影响。结果表明，这种复合结构可以作为吸附剂，通过吸附去除/回收放射性物种铀。由于经济实用性、易用性和环境友好性质，新的复合结构已显示出金属回收研究的潜力。

章节摘要

化学品

蛭石采自土耳其锡瓦斯 - 耶尔德兹利，木质素直接使用（Sigma–Aldrich）。丙烯酰胺 (AA)、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺 (MBS，交联剂)、过硫酸铵 (APS，引发剂) 和四甲基乙二胺 (TEMED，加速剂) 购自 Sigma–Aldrich。UO₂(NO₃)₂·5H₂O 购自 Merck。吸附实验中使用的 NaOH、HCl、乙醇和 KNO₃ 购自 Merck。所有实验均使用去离子 (DI) 水。

PAA@VL 的制备

为了制备 PAA@VL 复合材料，将 1.5 g 蛭石和 1.5 g 木质素的混合物与 30 mL 纯水中的 6 g AA 一起使用磁力搅拌器搅拌，直到获得均匀混合物。然后，将 MBS 交联剂添加到混合物中并继续搅拌。为了引发聚合，迅速将 TEMED 加速剂和 APS 引发剂添加到溶液中。反应完成后，用纯水清洗得到的复合材料，直到溶液的电导率接近

FT-IR 和 SEM-EDX 分析

图 1 中的 FT-IR 光谱清楚地揭示了 PAA@VL 复合材料的结构官能团以及 UO₂²⁺ 吸附后发生的相互作用。PAA@VL 复合材料光谱中在～3200–3500 cm^-1 范围内观察到的宽带对应于羟基 (-OH) 和胺基 (-NH) 的伸缩振动，源自木质素和聚丙烯酰胺结构 [17]。～2920–2850 cm^-1 附近的弱峰表示脂肪族 C-H 伸缩。突出的

结论

在本研究中，成功合成了一种新型 PAA@VL 三元复合材料，并应用于从水溶液中吸附 UO₂²⁺ 离子。结构表征证实了聚丙烯酰胺、蛭石和木质素的成功整合，形成了一种具有异质、多孔和功能丰富表面的复合材料。FT-IR 和 SEM-EDX 分析表明，吸附是通过多个官能团的参与发生的，并伴随着显著的

CRediT 作者贡献声明

塞尔丘克·希姆谢克 (Sel?uk ?im?ek)： 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，资源，方法学。泽伊内普·明·谢诺尔 (Zeynep Mine ?enol)： 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，监督，项目管理，方法学，调查，数据整理，概念化

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文报告的工作。

致谢

本研究部分由锡瓦斯共和大学科学研究项目委员会资助。作者声明没有利益冲突。

泽伊内普·明·谢诺尔|塞尔丘克·希姆谢克