炭質(zhì)材料在貧鈾水體中提取鈾的應(yīng)用

炭質(zhì)材料在貧鈾水體中提取鈾的應(yīng)用

1我國氫氧材料研究的展望環(huán)境和能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著人類現(xiàn)代化進程的加快,核能的發(fā)展越來越受到眾多國家的重視。截至2009年3月,全世界共有436座商用核電機組在運行,為全世界提供大約16%的電力。我國也明確提出了大力發(fā)展核電的政策,預(yù)計到2020年我國核電裝機容量占總發(fā)電量的比重將從目前的不到2%提高到7%左右。我國核能事業(yè)的迅速發(fā)展,對核燃料的供給能力和乏燃料處理能力帶來巨大的挑戰(zhàn)。科技部和國家自然科學(xué)基金委先后啟動“核燃料循環(huán)與核安全技術(shù)”國家863計劃和“先進核裂變能的燃料增殖與嬗變”重大研究計劃,希望通過這些研究,提升我國在核燃料循環(huán)各主要環(huán)節(jié)的技術(shù)水平和核能發(fā)展的自主創(chuàng)新能力,保障我國核能事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。鈾既是核燃料的主要成分又是乏燃料后處理的關(guān)鍵核素之一。從乏燃料中分離鈾,既可以充分利用有限的鈾資源,又可以降低后續(xù)處理難度,減少處置費用。此外,勘探、開采、冶煉等涉鈾操作過程都會產(chǎn)生含鈾廢水,可能導(dǎo)致環(huán)境污染。如果鈾在環(huán)境中大量累積,作為兼有化學(xué)毒性和放射性毒性的重金屬,可能改變環(huán)境本底輻射,造成物種基因畸變,對人類的生存和發(fā)展構(gòu)成潛在的威脅。因此,必須加強對含鈾廢水的處理。再者,由于核電迅猛發(fā)展,鈾需求量劇增,陸地鈾資源不足的問題擺在了人們面前。而海水中的鈾含量十分豐富,多達45億噸,是已知陸地鈾礦儲量的約4500倍,海水有可能成為將來人類所需核燃料鈾的主要來源。綜上所述,從水體中分離、回收鈾具有非常重要的現(xiàn)實意義。目前對水體中鈾的分離處理方法主要有化學(xué)沉淀、溶劑萃取、離子交換、離子浮選、膜分離和生物吸附等。這些方法各有優(yōu)缺點,一些方法已經(jīng)形成工藝,并在工程中得到廣泛應(yīng)用。而吸附法因具有操作簡單、工藝成熟、適用范圍廣等優(yōu)點,一直是重要的研究方向之一。絕大部分炭材料都具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和大的比表面積,常被用作吸附分離材料或催化劑載體,研究已涉及的材料有活性炭、碳纖維、碳薄膜、富勒烯和碳納米管等材料。與大多數(shù)其他類型離子交換/吸附材料相比,炭材料還具備優(yōu)良的抗輻射和熱穩(wěn)定性,以及優(yōu)于常用無機吸附材料的酸穩(wěn)定性,可望用于處理放射性廢液。同時,相對于其他無機材料而言,炭材料更容易進行表面處理,可以通過簡單的物理或化學(xué)改性等處理手段改善材料的理化性能,從而提高材料的離子選擇性與吸附容量。由圖1可以了解最近10余年來炭材料領(lǐng)域研究發(fā)展的迅猛趨勢(數(shù)據(jù)來源于ISI)。本課題組近年來在研究新型炭質(zhì)吸附材料選擇性地分離鈾等關(guān)鍵核素方面做了一些探索,初步結(jié)果令人鼓舞,對炭材料的應(yīng)用前景充滿信心。結(jié)合我們的研究體會,本文簡述當(dāng)前炭材料吸附鈾(Ⅵ)的研究進展,希望引起同行們的關(guān)注,以期在獲得結(jié)構(gòu)和性能俱佳的高性能炭材料方面進行更為系統(tǒng)、深入的研究。2對活性物質(zhì)和燃料的吸附2.1ph對鈾酰離子的影響由于活性炭具有良好的理化穩(wěn)定性,耐高溫,不易破碎,流體阻力小,成本低廉,因此被廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥及水處理等工藝中?；钚蕴烤哂信帕胁灰?guī)則的微晶結(jié)構(gòu),微晶中有不同尺寸的孔道孔隙,使它具有很大內(nèi)表面(比表面積為500—1700m2·g-1),這使得活性炭具有良好的吸附性能,可以吸附廢水和廢氣中的金屬離子、有害氣體、有機污染物和色素等?；钚蕴康奈阶饔卯a(chǎn)生于兩個方面,一是由于活性炭內(nèi)部分子在各個方向都受著同等大小的力而在表面的分子則受到不平衡的力,因而容易使其他分子吸附在表面上,此為物理吸附;另一個是活性炭與被吸附物質(zhì)之間的化學(xué)作用,此為化學(xué)吸附?；钚蕴繉λ芤褐薪饘匐x子的吸附是上述兩種吸附行為綜合作用的結(jié)果。Kütahyali等的研究表明,活性炭制備過程中的活化方法可能會影響活性炭對鈾的吸附性能?；钚蕴砍荚赝?還含有少量的氮、氧、硫及灰份,這些成分根據(jù)原材料的活化方法不同而略有差別,并在活化過程中在活性炭表面形成各種基團(又稱表面氧化物,如羥基、羧基、羰基、巰基、氨基、內(nèi)酯基和環(huán)氧基等)。不同的活化方法也可能得到不同的孔道、孔隙和表面積等,從而影響活性炭的吸附性能。曾憲富等曾提到使用硝酸或過氧化氫低溫活化活性炭,可提高活性炭的有效吸附空間,從而大大提高活性炭的吸附容量和離子選擇性。鈾在水溶液中的存在形態(tài)與溶液的pH值和鈾濃度密切相關(guān),且不同形態(tài)的鈾酰離子在活性炭上的吸附性能也不盡相同:UO22+主要存在于pH<5的溶液中;在pH=5—8的溶液中,主要以(UO2)3(OH)5+的形態(tài)存在;pH>8時,在相對高濃度(4.0×10-5—2.0×10-4mol·L-1)的溶液中主要以(UO2)3(OH)7-形態(tài)存在,而在相對低濃度(1.0×10-6—1.0×10-5mol·L-1)的溶液中則主要以UO2(OH)3-形態(tài)存在[10,12—14]。從上可以看出,隨著pH值增加,鈾酰離子所帶負(fù)電荷逐漸增加,不利于鈾的吸附。鈾的濃度越高鈾酰離子越容易形成多聚核,當(dāng)鈾的濃度大于2.5×10-4g·L-1,就會生成多聚核鈾酰離子,甚至形成膠體,降低鈾在吸附劑表面的吸附能力。根據(jù)文獻報道,活性炭在pH=4—7范圍內(nèi)對鈾具有最大吸附值[10,15—19],從而可以推斷鈾可能主要以UO22+或(UO2)3(OH)5+的形態(tài)吸附在活性炭上。在堿性溶液中,鈾酰離子可能會在活性炭的孔道內(nèi)形成沉淀,出現(xiàn)吸附值增加的假象。而在高酸度溶液中,H+可能會與鈾酰離子發(fā)生競爭吸附,同時,由于H+能夠與活性炭表面的羧基、羥基基團作用使其質(zhì)子化,進而與鈾酰離子產(chǎn)生靜電斥力,也會影響鈾酰離子與活性炭上活性基團的配位,降低鈾的吸附容量。溶液中其他陽離子也會影響鈾在活性炭上的吸附性能。Saleem等研究了各種金屬離子對活性炭吸附鈾的影響程度,由強到弱的順序如下:Li+>Na+>Rb+>Cs+,Ca2+>Sr2+>Ba2+,Er3+>Gd3+>Sm3+>La3+。上述現(xiàn)象表明溶液中其他陽離子的離子勢(Z/r)是影響鈾在活性炭上吸附的主要因素,溶液中其他陽離子的Z/r值越大,鈾的吸附容量越低。Kütahyali等的研究結(jié)果進一步驗證了這種趨勢,當(dāng)溶液中存在Ce3+、Na+、Fe3+、Sr2+和Mn2+的情況下,Ce3+對活性炭吸附鈾的能力的影響程度明顯高于Fe3+。鈾酰離子能與許多陰離子發(fā)生絡(luò)合作用而改變它在溶液中的存在形態(tài),進而影響鈾在活性炭上的吸附。曾憲富等通過在鈾溶液中加入硫氰酸鹽絡(luò)合劑,選擇性地提高了活性炭對UO22+的吸附性能,吸附容量可達43.9mg·g-1,是不加入絡(luò)合劑時的17倍,并成功地從釷、鋯、鈰中分離提純了鈾。Madrakian等向水溶液中添加溴化三甲基十六烷基銨和兒茶酚紫與鈾形成配合物后能更好地將鈾吸附在活性炭柱上。也有報道在溶液中加入抗壞血酸可以提高活性炭對鈾的吸附容量。Saleem等研究了醋酸根、硝酸根、氟離子、硫代硫酸根和草酸氫根對活性炭吸附鈾能力的影響,研究表明,醋酸根能顯著提高鈾的吸附容量,而其他離子會降低鈾的吸附容量,影響程度由大到小的順序如下:F->HC2O-4>NO-3>S2O2-3。適當(dāng)延長吸附時間,有助于提高活性炭對鈾的吸附容量。但是Taskaev等發(fā)現(xiàn)活性炭對鈾的吸附過程大約能在20min內(nèi)達到吸附平衡(溶液pH=7.5)。如果吸附時間超過1h,隨著吸附時間延長,活性炭對鈾的吸附容量有降低的趨勢。Taskaev等指出這可能是因為鈾酰離子在水溶液中容易水解,在水解初期的中間產(chǎn)物很容易吸附在活性炭表面,但是隨著時間延長,這些亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)物會發(fā)生陳化,從而導(dǎo)致活性炭對鈾的吸附能力降低?；钚蕴繉︹櫟奈绞亲园l(fā)過程,Chegrouche和El-Sayed等認(rèn)為活性炭在吸附鈾的過程中會放出熱量,升溫不利于鈾的吸附;而文傳璽、Saleem和Kütahyali等研究表明升溫有利于鈾的吸附。活性炭對鈾的吸附動力學(xué)研究結(jié)果也存在差異,El-Sayed等認(rèn)為鈾在活性炭上的吸附符合一級動力學(xué)模型,吸附等溫線與Langmuir吸附模型有很好的擬合度;而Chegrouche和Kütahyali等則傾向認(rèn)同二級吸附動力學(xué)模型,吸附等溫線與Freundlich吸附模型有很好的擬合度。根據(jù)經(jīng)驗判斷,無機離子交換材料吸附金屬離子在初始階段遵循一級動力學(xué)過程,接近飽和吸附容量時遵循二級吸附動力學(xué)過程。由于活性炭對鈾的吸附過程受諸多因素影響,不同的實驗條件可能會導(dǎo)致細(xì)微的差別。El-Sayed與Chegrouche實驗中使用的溶液存在差別,El-Sayed實驗中溶液的質(zhì)量體積比(m/v)為250,而Chegrouche實驗中溶液的m/v為1000。在低濃度溶液中,金屬離子在多孔材料中的吸附傾向于單分子層物理吸附,而在高濃度溶液中傾向于多分子層吸附,這可能是導(dǎo)致上述差異的主要原因。雖然使用活性炭作為吸附劑有原料來源廣泛、成本低廉的優(yōu)勢,但始終存在對核素選擇性差、吸附容量低的問題。通過表面改性改變活性炭的孔道和孔隙結(jié)構(gòu)以及表面功能基團的種類和數(shù)量,從而提高材料對鈾等重要核素的吸附和分離性能已經(jīng)成為當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點。2.2活性炭表面的氧化常用的表面改性方法包括熱處理、氧化、氨化、浸漬或負(fù)載以及接枝功能化等[26—28]。采用氧化性溶液(如HNO3、KClO3或H2O2)對活性炭進行處理,活性炭表面的弱酸性基團(如酚基、羧基、醌和各種內(nèi)酯等)會增加,有助于提高對金屬陽離子的吸附性能。雖然硝酸氧化處理活性炭過程中會使活性炭表面積和孔道體積略有下降,但是Streat和Park等都發(fā)現(xiàn)氧化活性炭對鈾的吸附明顯優(yōu)于母體活性炭。Streat等的研究表明,活性炭經(jīng)氧化處理后表面存在固定的離子交換位點,對鈾的吸附容量達到25mg·g-1,等溫吸附曲線與Freundlich吸附模型有很好的擬合度,表明所用炭材料對鈾的吸附不是簡單的表面吸附。他們還認(rèn)為這是由于氧化處理使活性炭表面生成了更多的羧基,吸附主要發(fā)生在羧基位點,即通過羧基與鈾酰離子發(fā)生離子交換。Park等發(fā)現(xiàn)氧化活性炭能在更寬的pH范圍內(nèi)吸附鈾,主要是因為氧化處理后表面基團增多,緩沖能力增強。通過表面氧化改性活性炭雖然方法簡便,但因增加的官能團種類相對單一,而且數(shù)量往往具有不確定性,故對鈾酰離子選擇性不高。由于活性炭對有機物有強烈的吸附傾向,有研究者采用浸漬等方法在活性炭表面或孔道內(nèi)負(fù)載一些對鈾具有較強絡(luò)合能力的有機分子(如草酸、琥珀酸、羧甲基聚乙烯亞胺、二芳基偶氮苯酚和磷酸三丁酯(TBP)等)以提高活性炭對鈾的選擇性[29—32],也有學(xué)者通過在活性炭表面吸附負(fù)載一些氣凝膠(如羥基過氧化鈦)來提高鈾吸附性能。在研究活性炭負(fù)載草酸或琥珀酸吸附鈾的過程中,Someda和Sheha發(fā)現(xiàn)吸附劑對鈾的吸附可能存在多分子層吸附,即吸附劑起初對鈾的吸附效率很低,但是當(dāng)把吸附過鈾的吸附劑用來再次吸附鈾時發(fā)現(xiàn)對鈾的吸附性能顯著提高。他們認(rèn)為最初吸附到吸附劑表面的鈾可能起到表面活化作用:由于UO22+是直線構(gòu)型,其赤道面上還可接受4—6個配位原子,這些結(jié)合到吸附劑表面的UO22+可以繼續(xù)與溶液中的UO22+或UO2(OH)+發(fā)生絡(luò)合作用(如圖2所示)。采用浸漬或負(fù)載法制備的功能化活性炭在實際應(yīng)用中存在一些缺陷,如化學(xué)穩(wěn)定性差、負(fù)載的功能分子在使用過程中可能會脫落。研究人員在活性炭表面氧化或氨化的基礎(chǔ)上,采用化學(xué)接枝的方法將功能分子(如偕胺肟、苯甲酰硫脲、水楊醛亞胺等)共價連接在活性炭表面,希望得到選擇性更高、吸附容量更大、接枝組分與炭基質(zhì)結(jié)合牢固的固相萃取材料,更有效地改善材料的吸附性能。2009年,本課題組首次在活性炭上成功接枝了苯甲酰硫脲,獲得了對鈾有特殊親合性的固相萃取劑BT-AC(圖3所示)。BT-AC對UO22+的吸附容量達到了82.0mg·g-1,并且在多種競爭離子存在的環(huán)境中仍對鈾表現(xiàn)出良好的選擇性。雖然將化學(xué)接枝作為一種改性方法應(yīng)用在吸附鈾的炭材料上的報道較少,但是通過化學(xué)改性技術(shù)獲得的炭材料在核素離子選擇性、接枝官能團與基質(zhì)連接的穩(wěn)定性和吸附容量等方面都有優(yōu)勢,將是這一領(lǐng)域發(fā)展的主要方向。3介孔炭固相萃取劑的篩選介孔炭具有巨大比表面積(可高達2500m2·g-1)和孔體積(可高達2.3cm3·g-1),并且孔徑均勻、孔分布均勻,不僅孔徑尺寸在一定范圍內(nèi)可調(diào),而且介孔形狀、孔壁組成和結(jié)構(gòu)亦可調(diào),通過結(jié)構(gòu)設(shè)計,優(yōu)化合成條件可以得到符合應(yīng)用目的的介孔材料,因而在吸附分離、催化、儲能和電子電工等方面具有廣泛應(yīng)用前景。一般來講,介孔炭本身對鈾沒有選擇性,但在介孔炭表面負(fù)載或接枝對鈾具有絡(luò)合作用的功能分子或基團,可通過固相萃取提高對鈾酰離子的選擇性。與活性炭相比,介孔炭表面含氧基團數(shù)量少得多,可以減少基體材料對其他陽離子的吸附,顯著提高材料的選擇性。如介孔炭CMK-5在整個pH范圍內(nèi)對鈾幾乎沒有吸附作用。我們采用熱誘導(dǎo)重氮化法將對鈾有良好螯合作用的4-苯乙酮肟直接共價連接到CMK-5上得到固相萃取劑肟-CMK-5(圖4),對鈾的最大吸附容量達到65.3mg·g-1。Kim等在CMK-3介孔炭表面負(fù)載羧甲基聚乙烯亞胺(CMPEI)獲得固相萃取材料CMPEI/CMK-3,對鈾的吸附容量高達152mg·g。與F400納米孔活性炭相比,CMK-3介孔炭能負(fù)載更多的羧甲基聚乙烯亞胺。Kim等發(fā)現(xiàn),當(dāng)CMPEI/CMK-3吸附鈾后,如果在表面再負(fù)載一層聚丙烯酸(PAA)能提高CMPEI/CMK-3對鈾的禁錮能力,歷經(jīng)4個月之久,只有不到1%的鈾脫落。該課題組最近還以Eu3+模擬Am3+,發(fā)現(xiàn)CMPEI/CMK-3對Eu3+的吸附禁錮作用也有類似的現(xiàn)象,即CMPEI/CMK-3吸附Eu3+后,在其表面負(fù)載一層聚吡咯(PPy)能強化對Eu3+的吸附能力。這是否意味著這種方法在處理和處置某些特殊放射性廢物時具有普遍的意義?可以采用類似的方法處理放射性廢液中的其他核素?考慮到介孔炭在孔型和孔道分布以及構(gòu)架方面的特點,以及同時具有耐酸堿、耐熱、耐輻射和環(huán)境友好的優(yōu)勢,又由于介孔炭材料本身對核素離子基本沒有吸附,如果在此基質(zhì)上接枝對鈾有高選擇性的、穩(wěn)定的功能基團制備固相萃取材料,則無論是處理含鈾廢水,還是從海水中提鈾,都有非常好的應(yīng)用前景。4ph值對碳納米管吸附金屬離子的影響自從發(fā)現(xiàn)碳納米管以來,由于其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能而備受關(guān)注。由于碳納米管比表面積大,管壁碳原子具有不飽和性,易與其他原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定,具有較大的化學(xué)活性,因此具有較強的吸附能力,是一種理想的吸附材料,如作為儲氫材料和環(huán)境中有機污染物吸附材料等。近些年人們開始關(guān)注碳納米管對水溶液中金屬離子的吸附性能?，F(xiàn)有研究還不能確定碳納米管對金屬離子的吸附是否發(fā)生在某些確切的位點。與碳納米管吸附氣體不同,對金屬離子的吸附性能與其表面酸度(表面功能基團多少)有關(guān),而與比表面積、空隙體積和管徑?jīng)]有直接關(guān)系。這說明碳納米管吸附金屬離子主要是化學(xué)吸附而不是物理吸附。一般認(rèn)為碳納米管表面基團與金屬離子發(fā)生相互作用是碳納米管吸附金屬離子的基礎(chǔ),如金屬離子與碳納米管表面的含氧官能團之間進行了表面絡(luò)合反應(yīng),或與表面基團所含H+發(fā)生離子交換。當(dāng)碳納米管吸附金屬離子后,溶液的pH值會下降,如果溶液中初始離子濃度越高,吸附金屬離子后溶液pH值下降越明顯,證明吸附過程有H+釋放。碳納米管對金屬離子的吸附性能在很大程度上還受溶液pH值影響。隨著pH值升高,碳納米管對核素離子的吸附能力顯著增加。當(dāng)碳納米管有缺陷或被氧化時,由于在表面生成功能基團,因而更易吸附金屬離子。碳納米管對金屬離子的吸附均為放熱過程,低溫有利于吸附。由于鈾酰離子在不同的pH值環(huán)境中存在形態(tài)不一樣,碳納米管對鈾酰離子的吸附與吸附其他金屬離子不同,吸附能力不完全按照pH值升高而增強的趨勢,在pH=3—9范圍內(nèi),鈾酰離子的吸附量基本上趨于穩(wěn)定。當(dāng)溶液接近中性時,碳納米管對鈾的吸附容量能達到最大。當(dāng)碳納米管表面被氧化后,對鈾吸附的pH值范圍加大,能耐受更高酸性或堿性環(huán)境。這是因為氧化后,碳納米管表面形成的功能基團能與水溶液中存在的H+或其他堿性離子(如CO32-、OH-)發(fā)揮緩沖和/或中和作用。對于表面氧化后的碳納米管,吸附等溫線對Langmuir模型的擬合度比對Freundlich模型好。Schierz等研究發(fā)現(xiàn)碳納米管經(jīng)過酸化氧化后,對鈾的Langmuir模型理論最大吸附能力與原碳納米管相比可提高一個數(shù)量級(從18mmol·g-1增加到193mmol·g-1)。王祥科等通過N2射頻等離子體對碳納米管表面進行活化處理后,與未經(jīng)處理的碳納米管相比,對鈾的Langmuir模型理論最大吸附能力從0.06mmol·g-1提高到0.11mmol·g-1;在此基礎(chǔ)上誘導(dǎo)接枝羧甲基纖維素制備碳納米管-有機物雜化材料對UO22+的吸附容量是其母體碳納米管的8倍,其Langmuir模型理論最大吸附容量可達0.47mmol·g-1。Arnold等的研究結(jié)果表明碳納米管對鈾的吸附行為與天然納米粒子(如水鐵礦石粒子)對鈾的吸附行為類似。在對碳納米管進行表面修飾時,大多數(shù)報道都聲稱首先在材料表面氧化生成羥基,再通過羥基部位的各種化學(xué)反應(yīng)連接上不同的功能基團。然而,Salzmann卻驚奇地發(fā)現(xiàn)羥基不是生長在碳管表面,而是連接在氧化過程中形成的一些碳的短鏈碎片上。這些碎片強力地附著在碳納米管表面,當(dāng)它們被NaOH溶液洗脫后,留下的碳納米管并沒有被氧化的跡象。Macpherson等通過比較硝酸氧化和等離子體濺射處理的碳納米管表面后發(fā)現(xiàn)硝酸氧化主要發(fā)生在碳納米管的兩端,隨著氧化過程的進行,兩端不斷被氧化降解,導(dǎo)致碳管越來越短。從原子力顯微鏡(AFM)上來看,碳管的密度越來越小。但是從拉曼光譜上來看,G帶(1585cm-1左右的拉曼峰是體相晶態(tài)石墨的典型拉曼峰,稱G帶,此峰是石墨晶體的基本振動模式,其強度與晶體的尺寸有關(guān))減小并不十分明顯。與之相反,用等離子體處理的時候,氧化點平均分布在碳納米管上,所以AFM觀察到的碳納米管形態(tài)并沒有明顯的變化。但是由于整根管子上遍布了缺陷,G帶明顯減小。這些研究為碳納米管表面氧化和功能化提供了理論指導(dǎo),有利于制備碳納米管衍生物。作為一種新型的吸附材料,碳納米管具有熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高、比表面積大、吸附容量較大的優(yōu)點。但是考慮到原料價格方面的原因,除非開發(fā)出其他炭質(zhì)材料不可能具備的特殊性能,如高專一性的新材料,其實用意義尚難下定論。5電極材料吸附鈾法電吸附一般定義為在電極材料表面由電位控制引起的吸附。電吸附技術(shù)所用電極材料不僅要求導(dǎo)電性能良好,而且還要有較大的比表面積、低電阻、良好的極化性,能提供盡可能多的雙電層,在所施加的電壓范圍內(nèi)不參與法拉第反應(yīng)。炭材料因具備這些特點而成為最重要的電吸附電極材料。已報道的炭質(zhì)電吸附材料主要包括石墨、活性炭、活性碳纖維、碳?xì)饽z和碳納米管等。活性碳纖維(ACF)易于被加工成各種形狀,近些年廣泛被用作電吸附電極材料。Zondlo課題組利用碳纖維作電極,研究采用電吸附技術(shù)從水體中去除鈾的可行性,結(jié)果表明碳纖維電極對鈾的吸附容量高達1200mg·g-1。Zondlo的學(xué)生Stover在其學(xué)位論文中提到最高吸附容量可達到5450mg·g-1,這是目前用炭材料進行吸附鈾實驗獲得的最大吸附容量。Jung等采用相似的技術(shù)從放射性淤泥中吸附鈾,結(jié)果表明碳纖維電極對鈾不僅具有很強的吸附能力(600mg·g-1),而且具有很高的選擇性。在模擬溶液中含有大量Na+、NH4+、Ca2+等離子的情況下,30min內(nèi)能將鈾含量從100mg·L-1降低到1mg·L-1,而且被吸附物幾乎100%是鈾,不含其他離子。研究者認(rèn)為這是因為與其他水合離子如Na+、NH4+、Ca2+、H+等相比,UO22+擁有更高的離子勢,因此在電吸附過程中,鈾酰離子能被優(yōu)先吸附。Zondlo等認(rèn)為碳纖維電極電吸附鈾主要涉及兩個過程,一是由鈾酰離子與帶電碳纖維電極之間的非法拉第相互作用過程,另一個是離子交換過程。當(dāng)施加電位時,在碳纖維電極和溶液界面形成雙電層,鈾酰離子會通過擴散等方式富集在碳纖維電極表面,以補償碳電極表面的電荷。但是該過程不能解釋此類電極材料具有如此高吸附容量的原因。因為即使按照碳纖維電極比表面積為1000m2·g-1計算,碳纖維電極對鈾的電吸附容量也只能達到240mg·g-1,更何況這項研究使用的電極的比表面積只有25m2·g-1?；诖?他們提出在該過程中還存在離子交換。由于碳纖維表面一般都帶有表面基團,雖然這些帶負(fù)電荷的基團不至于將鈾酰離子還原到單質(zhì)狀態(tài),但相對于其他電極材料更具有吸附鈾酰離子的優(yōu)勢,鈾酰離子可以和這些基團發(fā)生離子交換,如式(1)、(2)所示,這可能是吸附容量如此之高的部分原因。吸附到電極上的鈾可以通過電脫附回收。與傳統(tǒng)的離子交換法比較,電吸附