利用静态批式实验、红外、XPS及EXAFS分析技术研究铀与三维氧化石墨烯/壳聚糖作用机制

　　随着我国核能快速发展，产生了大量放射性废液，由于铀是当前主要核燃料，因此铀在各类放射性废液中占主导。妥善处理这些废液，将铀等放射性核素高效清除，对于保障公众和环境安全甚至核能可持续发展都是至关重要的。最近，中国科学院高能物理研究所核能放射化学课题组采用壳聚糖（CS）诱导氧化石墨烯（GO）三维自组装，制备了具有多孔结构的GO-CS块体气凝胶。该材料能最大限度保留GO高比表面积，并且在GO表面修饰了无定型CS，使得GO自身含氧官能团（如羧基、环氧及羟基等）和CS的胺基基团充分暴露，有利于废水中铀的捕获及清除。此外，该材料的宏观形貌使之在废水处理过程中易于操作及回收，有效避免了对环境造成二次污染。 

　　进一步的静态批式实验结果表明GO-CS气凝胶在pH 3.5、5.0和8.3时，对铀的最大吸附容量分别高达200、320及385mg/g，性能优异。此外，考虑到弱碱性条件下，该材料对铀的高亲和性，研究人员又尝试了模拟海水提铀实验。海水中铀浓度极低，而且主要以稳定的UO2(CO3)34-络阴离子存在，但铀的总储量约为45亿吨，可作为陆地铀矿的有效补充。实验结果表明，对于铀浓度为3.52、 14.39和35.57mg/L的模拟海水（pH8.2），GO-CS气凝胶对铀的提取率可以达到近100%、99.9%及97.1%，远高于纯GO和纯CS的处理结果，突显复合材料优势。 

　　研究人员利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1B线站的X射线吸收谱技术清楚地排除了铀酰在气凝胶表面生成水解沉淀的可能，得出铀酰离子表面内配位络合作用是主要吸附机理，而且随着体系pH升高，铀酰离子的配位环境略有变化。结合FT-IR和XPS分析，清晰可见弱碱性条件下，更多的CS胺基（-NH3+和-NH2）参与了铀配位，可能是与去质子化的GO羧基（-COO-）相比，胺基更容易吸引负电性的UO2(CO3)34-，进而配位。而在中低酸度下，-COO-、-OH及-NH2均能与铀结合。由此可见，同步辐射EXAFS技术能有效研究固相吸附剂表面结合的金属离子配位微环境，在分子水平解释吸附机理，进而指导新型高效吸附材料的制备。 

　　参比样品及吸附铀后的GO-CS气凝胶样品的铀LIII边k3权重EXAFS谱图（a）及相应傅立叶变换结果（b）。标准样品：UO22+ (aq)、铀酰水解沉淀 (s)、UO2(CO3)34- (aq)和UO2(CH3COO)2×2H2O (s); 吸附铀后的气凝胶样品：U_pH3.5、U_pH5.0和U_pH8.3的铀处理浓度是100mg/L，200U_pH8.3铀处理浓度是200mg/L。虚线和实线分别代表实验及拟合结果。 

　　发表文章： 

Zhi Wei Huang, Zi Jie Li, Li Rong Zheng, Li Min Zhou, Zhi Fang Chai, Xiao Lin Wang, Wei Qun Shi* Interaction Mechanism of Uranium(VI) with Three-Dimensional Graphene Oxide-Chitosan Composite: Insights from Batch Experiments, IR, XPS, and EXAFS Spectroscopy. Chemical Engineering Journal 328 (2017), 1066-1074.