聚电解质包覆的碳酸钙颗粒及碳酸钙裸颗粒应用于海水提铀的探索

环境友好能源材料国家重点实验室（西南科技大学）

环境修复材料国际研究中心

应用基础研究工作

聚电解质包覆的碳酸钙颗粒及碳酸钙裸颗粒应用于海水提铀的探索

——环境友好材料的另一选择

— 1 — 内容简介

随着诸多高效吸附材料的陆续诞生，从海洋中提取铀以达到节约能源或去除污染的目的已变得逐渐可行。然而，这些吸附材料在生态系统中广泛应用的前提是它们的“环境友好性”需要妥善解决。针对这一需求，环境友好能源材料国家重点实验室——环境修复材料国际研究中心与法国公立勒芒大学科学学院、法国国家科研中心携手合作，设计出生物相容性良好性的碳酸钙（CaCO3）纳米颗粒吸附材料，用于模拟海水中铀的提取，这一方法为解决高效吸附材料的“环境友好性”提供了又一可靠的选择。研究发现聚电解质涂层可以使铀与碳酸钙颗粒稳定的结合，而且吸收的铀在6天之内从裸露的碳酸钙颗粒中几乎完全自动释放出来。这一特性，不仅兼顾了吸附材料的生物相容性与高性价比，还为简化吸附后的反萃工艺开辟了新的路线。该工作被Sustainable Energy & Fuels（IF: 5.503）收录。

在本研究中，我们合成了纯的钒酸盐(一种亚稳态碳酸钙聚合体)和杂化聚电解质/钒酸盐颗粒，模拟海水成分。选用聚丙烯酸(PAA)和聚乙烯亚胺(PEI)作为表面涂层的辅助吸附剂，研究了三种颗粒对模拟海水中铀（U）的选择性。在[U]0= 2.8 ppb时，CaCO3对钒（V）和锌（Zn）亲和力较低，是最具选择性的吸附体系。随着[U]0增加到1 ppm, CaCO3-PEI对铀和钒的选择性显著提高，Qe(U) ≈104 Qe(V)。最后，通过吸附-解吸循环实验评价了CaCO3-PAA和CaCO3-PEI具有良好的可重复使用性。好的生物相容性和吸附性能使CaCO3成为天然浓度下可持续采集铀的适宜吸附材料，而CaCO3-PEI更适用于高污染的海水吸附。未来的工作将包括开发具有完全生物相容性的阳离子聚电解质(如聚L -丝氨酸酯)功能化的碳酸钙颗粒，为解决当下环境友好型吸附材料的提供更多的参考。本工作得到以下经费的支持：国家自然科学基金（41650110481和41630646），四川省“千人计划”项目（16QR003）。

全文链接：

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2020/SE/D0SE00785D#!divAbstract

文章题目：Bare and polyelectrolyte-coated calcium carbonate particles for seawateruranium extraction: an eco-friendly alternative

关键字：PEI;PAA; 铀提取;碳酸钙

— 2 — 图文导读

图1：CaCO3（a和a'），CaCO3-PAA（b和b'）和CaCO3-PEI（c和c'）颗粒的合成工艺示意图和SEM图像。d）颗粒的特性：0和S0分别是样品的中值直径和多分散度（由SEM图像分析确定）。是在pH = 7.8的水中以浓度为1 mg·mL-1分散时颗粒的ζ电位。通过TGA测定的在CaCO3-PAA中的PAA和在CaCO3-PEI中的PAA和PEI的质量百分比。

图2 : CaCO3（黑色曲线），CaCO3-PAA（蓝色曲线），CaCO3-PEI（绿色曲线）的红外光谱图

图3：a）对CaCO3（黑色曲线），CaCO3-PAA（蓝色曲线）和CaCO3-PEI（绿色曲线）进行XPS宽扫描，表明所有类型的颗粒表面均存在Ca，C和O，仅存在N 在CaCO3-PEI上。b）具有两个峰拟合的CaCO3的XPS C(1s)核心能级谱。c）具有四峰拟合的CaCO3-PAA的XPS C(1s)核心能级谱。d）具有两个峰拟合的CaCO3-PEI的XPS N(1s)核心能级谱。

图4：CaCO3（黑色曲线），CaCO3-PAA（蓝色曲线）和CaCO3-PEI（绿色曲线）颗粒在T = 25 ℃的模拟海水中温水浴一段时间的流体动力学直径（DH）（a）和Zeta势（ξp）（b）。参数的恒定值指示胶体稳定性。

图5：（a）Kd为铀的固相分布系数（mL）·g-1

    （b）铀的去除率R（％）和萃取能力 particle（ICP）。

图6： 在含有50 ppm的海水（pH =7.8）中孵育后，通过EDX Qeparticle 表示的提取能力，以每克CaCO3（黑色），CaCO3-PAA（蓝色）和CaCO3-PEI（绿色）颗粒中每毫克U毫克表示。

图7：   a）去除率R，单位为％（条，左刻度）和抽气量particle ICP以每克CaCO3（黑色），CaCO3-PAA（蓝色）和CaCO3-PEI（绿色）各种元素的颗粒（点，右刻度）为单位。

b）对于CaCO3，CaCO3-PAA和CaCO3-PEI，U（深青色）和V（品红色）的R（％）。将0.95 mg·mL-1的颗粒与含有其他元素U，V，Mo，Sr，B和Zn的海水（pH = 7.8）在25°C下水浴24小时。

图8：   a）在H2O和各种0.1 mol·L-1解吸剂水溶液中水浴0.5小时和24小时后，CaCO3-PAA（青色和蓝色）和CaCO3-PEI（浅色和深绿色）的铀解吸速率（％）。b）CaCO3-PAA的铀解吸速率（蓝色）和CaCO3-PEI（绿色）通过4个吸附-解吸循环测得。

— 3 — 通讯作者简介

Jérémie Courtois：男，1984年出生，法国巴黎人，四川省千人计划青年长期项目获得者。2002年至2008年，Courtois副研究员于法国顶尖学府——法国皮埃尔•玛丽居里大学获得法国国家学士与硕士学位。2012年于法国顶尖学府——法国丹尼•狄德罗大学获得法国国家博士学位，并获得了法国博士学位最高荣誉评“Très Honorable”。同年Courtois副研究员以“研究科学家”的身份进入法国原子能研究所“低温与纳米技术”实验室从事利用超顺磁纳米颗粒处置乏燃料的新技术研究。2015年3月至今，Courtois副研究员以西南科技大学全日制特聘副研究员的身份加入环境友好能源材料国家重点实验室（西南科技大学）——环境修复材料国际研究中心。