湿法冶金

ρ_B/(mg·L^-1)	ρ_B/(g·L^-1)
U	A1³⁺	Zn²⁺	Mn²⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	K⁺	Na⁺	$NO 3 -$	Cl^-
90	87	73	67	54	44	9.8	11	17	4

ρ_B/(mg·L^-1)

ρ_B/(g·L^-1)

A1³⁺

Zn²⁺

Mn²⁺

Ca²⁺

Mg²⁺

K⁺

Na⁺

NO 3 -

Cl^-

9.8

ρ_B/(mg·L^-1)	ρ_B/(g·L^-1)
U	A1³⁺	Zn²⁺	Mn²⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	K⁺	Na⁺	$NO 3 -$	Cl^-
90	87	73	67	54	44	9.8	11	17	4

ρ_B/(mg·L^-1)

ρ_B/(g·L^-1)

A1³⁺

Zn²⁺

Mn²⁺

Ca²⁺

Mg²⁺

K⁺

Na⁺

NO 3 -

Cl^-

9.8

样品	C	H	O	N	Cl
氯球	77.68	8.82	0	0	17.10
咪唑基树脂	75.92	8.62	0	13.66	1.80

样品

氯球

77.68

8.82

17.10

咪唑基树脂

75.92

8.62

13.66

1.80

样品	C	H	O	N	Cl
氯球	77.68	8.82	0	0	17.10
咪唑基树脂	75.92	8.62	0	13.66	1.80

样品

氯球

77.68

8.82

17.10

咪唑基树脂

75.92

8.62

13.66

1.80

干树脂强碱质量交换容量/ (mmol·g^-1)	干树脂弱碱质量交换容量/ (mmol·g^-1)	含水量/%	渗磨圆球率/%	压碎强度/ (g·颗^-1)
3.47	2.85	56.33	93.47	1 295

干树脂强碱
质量交换
容量/
(mmol·g^-1)

干树脂弱碱
质量交换
容量/
(mmol·g^-1)

含水
量/%

渗磨圆球
率/%

压碎强度/
(g·颗^-1)

3.47

2.85

56.33

93.47

1 295

干树脂强碱质量交换容量/ (mmol·g^-1)	干树脂弱碱质量交换容量/ (mmol·g^-1)	含水量/%	渗磨圆球率/%	压碎强度/ (g·颗^-1)
3.47	2.85	56.33	93.47	1 295

干树脂强碱
质量交换
容量/
(mmol·g^-1)

干树脂弱碱
质量交换
容量/
(mmol·g^-1)

含水
量/%

渗磨圆球
率/%

压碎强度/
(g·颗^-1)

3.47

2.85

56.33

93.47

1 295

解吸剂	解吸率/%
0.5 mol/L HCl	83.56
1 mol/L NaCl	11.47
0.5 mol/L HNO₃	99.83
1 mol/L NaCl+5 g/L Na₂CO₃	64.77

解吸剂

解吸率/%

0.5 mol/L HCl

83.56

1 mol/L NaCl

11.47

0.5 mol/L HNO₃

99.83

1 mol/L NaCl+5 g/L Na₂CO₃

64.77

解吸剂	解吸率/%
0.5 mol/L HCl	83.56
1 mol/L NaCl	11.47
0.5 mol/L HNO₃	99.83
1 mol/L NaCl+5 g/L Na₂CO₃	64.77

解吸剂

解吸率/%

0.5 mol/L HCl

83.56

1 mol/L NaCl

11.47

0.5 mol/L HNO₃

99.83

1 mol/L NaCl+5 g/L Na₂CO₃

64.77

材料	铀吸附量/(mg·g^-1)	铀平均吸附量/ (mg·g^-1)
咪唑基功能树脂	30.0	35.0	38.0	40.2	40.3	36.7
201×7阴离子交换树脂	8.5	15.4	18.2	18.7	18.7	15.9

材料

铀吸附量/(mg·g^-1)

铀平均吸附量/
(mg·g^-1)

第1次

第2次

第3次

第4次

第5次

咪唑基功能树脂

30.0

35.0

38.0

40.2

40.3

36.7

201×7阴离子交换树脂

8.5

15.4

18.2

18.7

15.9

材料	铀吸附量/(mg·g^-1)	铀平均吸附量/ (mg·g^-1)
咪唑基功能树脂	30.0	35.0	38.0	40.2	40.3	36.7
201×7阴离子交换树脂	8.5	15.4	18.2	18.7	18.7	15.9

材料

铀吸附量/(mg·g^-1)

铀平均吸附量/
(mg·g^-1)

第1次

第2次

第3次

第4次

第5次

咪唑基功能树脂

30.0

35.0

38.0

40.2

40.3

36.7

201×7阴离子交换树脂

8.5

15.4

18.2

18.7

15.9

咪唑基功能树脂的制备及其对酸性溶液中铀的吸附性能

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杨吴馨晨 , 王笑泽 , 勾阳飞 , 常华 , 李昊 , 陈树森

湿法冶金 | 试验研究 2025,44(3): 379-387

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湿法冶金 | 试验研究 2025, 44(3): 379-387

咪唑基功能树脂的制备及其对酸性溶液中铀的吸附性能

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杨吴馨晨, 王笑泽, 勾阳飞, 常华, 李昊, 陈树森

作者信息

核工业北京化工冶金研究院,北京 101149

杨吴馨晨(1997—),女,硕士,助理工程师,主要研究方向为高分子有机合成。

通讯作者:

陈树森(1978—),男,博士,研究员级高级工程师,主要研究方向为有机高分子分离材料研发。

Preparation of Imidazole-based Functional Resin and Its Adsorption Properties for Uranium in Acidic Solution

Wuxinchen YANG, Xiaoze WANG, Yangfei GOU, Hua CHANG, Hao LI, Shusen CHEN

Affiliations

Beijing Research Institute of Chemical Industry and Metallurgy, CNNC, Beijing 101149, China

出版时间: 2025-06-20 doi: 10.13355/j.cnki.sfyj.2025.03.012

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摘要

收起

以聚苯乙烯二乙烯苯共聚物为载体,通过氯甲基化反应和咪唑改性处理,研究制备了一种新型咪唑基功能树脂,并系统考察了其对酸性溶液中铀的吸附特性和选择性。结果表明:针对pH=5、质量浓度为90 mg/L的含铀酸性溶液,咪唑功能树脂对铀的平衡吸附量达58 mg/g,吸附性能较好;咪唑基功能树脂对溶液中硝酸根离子和氯离子的耐受性较好,对铀的吸附选择性较好,在硝酸根、氯离子质量浓度分别为20和5 g/L时,铀吸附量也能达57 mg/g;当溶液中的铀和干扰金属离子质量浓度均为90 mg/L时,咪唑基功能树脂对铀的吸附量为44 mg/g,而对单个干扰离子(A1³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺、K⁺、Na⁺)的吸附量小于5.4 mg/g;采用0.5 mol/L的HNO₃作为解吸剂时,铀解吸率为99.83%。用所制备咪唑基功能树脂吸附某矿山实际含铀酸性废液时,铀吸附量为40.2 mg/g,优于普通201×7树脂。

关键词

咪唑 / 改性 / 树脂 / 铀 / 吸附 / 酸性废液

Abstract

收起

Preparation of a novel imidazole-based functional resin using polystyrene-divinylbenzene copolymer as the support by chloromethylation reaction and imidazole modification was studied. Adsorption properties and selectivity for uranium by the resin from acidic waste solution were systematically investigated. The results show that the equilibrium adsorption capacity of imidazole-based functional resin is 58 mg/g for uranium containing acidic solution with pH=5 and uranium mass concentration of 90 mg/L. Additionally, the resin has good tolerance to nitrate and chloride ions and high adsorption selectivity for uranium. When the mass concentrations of nitrate and chloride are 20 g/L and 5 g/L, respectively, the uranium adsorption capacity can also reach 57 mg/g. When the mass concentrations of uranium and interfering ions in the solution were both 90 mg/L, the adsorption capacity of imidazole-based functional resin for uranium can reach 44 mg/g, while the adsorption capacity of any single interfering ion (A1³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, K⁺, Na⁺) is less than 5.4 mg/g. Furthermore, 0.5 mol/L HNO₃ is used as desorption, the desorption rate is 99.83%.When the imidazole-based functional resin is used to adsorb the actual uranium-containing acid waste liquid from a mine, the adsorption capacity of uranium is 40.2 mg/g, which is superior to that of common 201×7 anion exchange resin.

Key words

imidazole / modification / resin / uranium / adsorption / acidic waste solution

引用本文

杨吴馨晨, 王笑泽, 勾阳飞, 常华, 李昊, 陈树森. 咪唑基功能树脂的制备及其对酸性溶液中铀的吸附性能. 湿法冶金, 2025 , 44 (3) : 379 -387 . DOI: 10.13355/j.cnki.sfyj.2025.03.012

Wuxinchen YANG, Xiaoze WANG, Yangfei GOU, Hua CHANG, Hao LI, Shusen CHEN. Preparation of Imidazole-based Functional Resin and Its Adsorption Properties for Uranium in Acidic Solution[J]. Hydrometallurgy of China, 2025 , 44 (3) : 379 -387 . DOI: 10.13355/j.cnki.sfyj.2025.03.012

正文

收起

铀具有放射性和化学毒性,因此生产过程中产生的含铀废液若未经处理进入环境会对生态系统和人体健康构成严重威胁。尤其在酸性溶液中,铀酰离子(

UO 2 2 +

)易与硝酸根、硫酸根等阴离子形成稳定配合物,导致去除铀的难度增加。传统的含铀溶液处理方法包括离子交换、沉淀、溶剂萃取等,其中离子交换技术因具有交换容量高、吸附速率较快、可重复使用、经济适用性高等优点而广泛应用。目前,在利用市售离子交换树脂处理复杂的酸性含铀废水时,往往因树脂材料本身的性能和稳定性表现不佳,导致其对铀酰离子及其配合物的选择吸附性能较差,难以实现铀元素的高效分离。另外,废水中杂质种类众多,这些树脂对铀和其他金属离子的选择性吸附效果也不理想,从而进一步降低了处理效率,因此亟需开发新型的吸附材料^[1-6]。

近年来,咪唑及其衍生物在铀吸附领域应用日益受到关注,前景广阔。咪唑分子结构中的氮原子可作为铀酰离子的有效配位供体,对铀离子具有选择吸附性,这已在多种吸附介质中得到验证^[7-8]。与传统的偕胺肟基吸附剂相比,咪唑类分子的毒性较低,化学稳定性较高,是一种潜在的环保型铀吸附材料改性原料。目前,咪唑功能基吸附材料的制备方法多是将咪唑基团接枝到多孔材料上,如金属有机框架(MOF)和二氧化硅(SiO₂)等无机载体^[9-10],以增强铀的吸附性能。MOF和SiO₂等粉末材料在实验室条件下的吸附性能较为优异,但因颗粒细小易导致过滤困难和设备堵塞,且回收难度也较大,从而限制了其在实际工艺生产中的可行性和应用潜力。为克服上述问题,通常采用颗粒状树脂吸附剂(如离子交换树脂)或功能化纤维材料(如改性有机纤维)作为替代材料。这些材料不仅能保持良好的吸附性能,还具有更优异的流动性、可回收性和工艺兼容性,从而提升了铀提取的效率与可操作性。

将咪唑基团直接引入树脂骨架结构中,有望开发出一类新型的吸附材料,既能有效提高树脂的吸附性能,又能克服粉末吸附材料在固液分离过程中的局限性。其中,苯乙烯-二乙烯苯骨架树脂因具有良好的机械强度和可调控的孔隙结构,适用于多种环境^[11-12]。咪唑基树脂因兼具咪唑基团的高铀亲和性和树脂骨架的稳定性,使其在处理酸性废水时对铀的选择性更强,从而能获得更高的铀吸附效率具有一定的应用潜力。

某矿山硝酸体系的含铀废液中杂质离子种类繁多且含量较高,特别是硝酸根质量浓度高达17 g/L,铀质量浓度为90 mg/L,溶液pH约为5。由于传统阴离子交换树脂对硝酸根的亲和力较强,在硝酸根质量浓度超过0.5 g/L时会抑制铀的吸附,从而导致穿透体积数和铀容量明显下降^[13]。因此,为提高硝酸体系中铀的吸附效率,克服传统铀吸附树脂在高硝酸根环境下的性能限制,试验以聚苯乙烯二乙烯苯共聚物为载体,通过氯甲基化反应和咪唑改性处理,研究制备了一种高选择性、高吸附量的新型咪唑基树脂,并采用红外光谱、热重分析及元素分析等表征手段验证了材料的结构正确性,进一步通过对铀吸附量、吸附动力学、吸附等温线及吸附选择性等关键参数的测试与分析,考察了该树脂对铀的吸附性能。

1 试验部分

收起

1.1 原料、仪器与试剂

试验用含铀废液来自某矿山,主要化学组分见表1。

主要仪器:机械搅拌器(浙江力辰仪器科技有限公司),SHZ-82型气浴恒温振荡器(江苏金坛市荣华仪器制造有限公司),智能升降水浴锅(上海予华仪器设备有限公司),红外光谱仪(TENSOR Ⅱ,德国布鲁克),热重分析仪(德国耐驰),三口烧瓶、锥形瓶(江苏翌哲实验仪器有限公司)。

主要试剂:苯乙烯、二乙烯苯、聚乙烯醇、过氧化苯甲酰、氯甲醚、氯化铝、氯化锌、1-甲基咪唑、硝酸、氢氧化钠、硝酸铝、硝酸钙、硝酸镁、硝酸钾、硝酸钠,均为分析纯,市售。硝酸铀酰,核工业北京化工冶金研究院。

1.2 咪唑基功能树脂的制备

取一定量去离子水和聚乙烯醇置于三口烧瓶中,搅拌升温至50 ℃得到水相;将过氧化苯甲酰溶于一定量苯乙烯、二乙烯苯混合溶液中得到油相。将油相倒入水相中,搅拌分散升温至80 ℃,恒温反应3 h,之后再升温至85 ℃,保温6 h,得苯乙烯-二乙烯苯白球基体。以氯甲醚为溶胀剂和氯甲基化试剂,以一定比例的氯化锌/氯化铝为催化剂,通过付氏烷基化反应,得到氯甲基化聚苯乙烯微球(氯球)。取一定量氯球、1-甲基咪唑、去离子水于三口烧瓶中,在80 ℃下反应12 h。待反应完成后,取下冷却至室温,用去离子水洗涤,低温烘干,得咪唑基功能树脂。

1.3 咪唑基功能树脂的表征

采用红外光谱仪对所制备咪唑基功能树脂进行红外表征,扫描波数范围为500~4 000 cm^-1;采用元素分析测定树脂样品中的C、H、N、O等含量;采用扫描电镜观察树脂样品形貌;采用热重分析仪测试树脂的热失重曲线,系统的升温速度设置为5 ℃/min,气体氛围设置为空气。

1.4 咪唑基功能树脂对酸性溶液中铀的吸附性能

1)模拟溶液

采用氢氧化钠和硝酸调节溶液pH,将硝酸铀酰配制成一定质量浓度的含铀模拟溶液。

量取100 mL该溶液,称取0.1 g咪唑基功能树脂,将二者置于锥形瓶中,恒温振荡一定时间,取上清液,测定其中铀浓度。分别考察溶液pH对咪唑功能基树脂对吸附铀的影响,分析其吸附动力学、吸附等温线特性和吸附选择性。

称取0.1 g负载铀的咪唑基树脂于锥形瓶中,加入50 mL解吸液,之后将锥形瓶置于摇床上振荡8 h后取出,测定其中铀含量,并计算铀解吸率。

2)实际含铀废水

分别称取2 g咪唑基功能树脂和201×7树脂于锥形瓶中,向锥形瓶中加入2 L取自某矿山的实际含铀酸性废水。将锥形瓶置于摇床上振荡8 h后,滤出溶液,取0.1 g负载铀的树脂,测定其中铀含量。再向锥形瓶中加入2 L真实废液,并将其放在摇床上振荡8 h后,滤出溶液,取0.1 g负载铀的树脂,测定其中铀含量,重复5次。

2 试验结果与讨论

收起

2.1 咪唑基功能树脂的表征

2.1.1 红外光谱测试

氯球、1-甲基咪唑、咪唑基树脂的红外光谱如图1所示。氯球和咪唑基树脂都具有苯乙烯骨架的主要特征峰,即3 020和2 924 cm^-1处的C—H伸缩振动峰、1 629 cm^-1处的苯环内C—C伸缩振动峰及1 443 cm^-1处的C—H弯曲振动峰;氯球在759和670 cm^-1处出现了氯甲基上C—Cl键的伸缩振动峰;此外,在咪唑基树脂上出现1-甲基咪唑的特征峰,即1 165 cm^-1处咪唑环的C—H面内变形振动峰,1 581 cm^-1处的$\mathrm{C}=\mathrm{N}$伸缩振动峰,3 095、3 118、3 158 cm^-1处的C—H伸缩振动峰及1 647、1 400 cm^-1处的$\mathrm{C}=\mathrm{C}$骨架伸缩振动峰。以上结果表明,1-甲基咪唑成功接枝到了聚苯乙烯骨架树脂上。

2.1.2 元素分析

氯球、咪唑基功能树脂的元素分析结果见表2。可以看出,氯球中w (Cl)为17.10%,随付克烷基化反应的进行,氯离子被咪唑基团所取代,咪唑基功能树脂中w (C)由77.68%降至75.92%、w (N)由0增至13.66%。测试结果与树脂碳、氮含量的理论计算值接近。

2.1.3 扫描电镜分析

咪唑基功能树脂的扫描电镜分析结果如图2所示。可以看出:咪唑基功能树脂颗粒大小相对均匀,平均粒径为504.616 μm,直径为(500±60)μm的颗粒约占80%。

2.1.4 热重分析

咪唑基功能树脂的热重分析结果如图3所示。可知,氯球的热降解分为3个阶段:第Ⅰ阶段(265~334 ℃)可能是与苯环相连的氯甲基的分解;第Ⅱ阶段(334~483 ℃)可能主要是树脂非交联部分的热解;第Ⅲ阶段(483~524 ℃)是聚苯乙烯树脂交联骨架基体整体的热分解,生成二氧化碳和水。与氯球热降解不同,咪唑基功能树脂的热分解分成了5个阶段:第Ⅰ阶段(0~89 ℃)是树脂结合水分解;第Ⅱ阶段(89~244 ℃)可能是氮杂环的开环氧化;第Ⅲ阶段(244~348 ℃)可能是与苯环相连的亚甲基的分解;第Ⅳ阶段(348~510 ℃)可能主要是树脂非交联部分的热解;第Ⅴ阶段(510~598 ℃)是聚苯乙烯树脂交联骨架基体整体的热分解,生成二氧化碳和水。

2.1.5 咪唑基功能树脂的物理性能

咪唑基功能树脂的物理性能参数见表3。可以看出:咪唑基功能树脂的强碱交换容量为3.47 mmol/g,渗磨圆球率为93.47%,压碎强度为1 295 g/颗。各项参数均可满足树脂的基本物化性质要求。

2.2 咪唑基功能树脂对铀的吸附性能

2.2.1 溶液pH对咪唑基功能树脂吸附铀的影响

采用氢氧化钠和硝酸调节溶液pH为1~9,用硝酸铀酰配制成质量浓度为90 mg/L含铀溶液。分别量取100 mL含铀溶液、称取0.1 g咪唑基功能树脂于锥形瓶中,恒温振荡一定时间,取上清液,测定铀浓度。溶液pH对咪唑基树脂吸附铀的影响结果如图4所示。可以看出:随溶液pH升高,咪唑基功能树脂对铀的吸附量先升高后降低,溶液pH=5时,树脂对铀的吸附效果达最高,吸附量为58 mg/g。

2.2.2 咪唑基功能树脂吸附铀的动力学

配制pH=5、质量浓度为90 mg/L的含铀溶液。称取0.1 g咪唑基功能树脂和100 mL含铀溶液于锥形瓶中,将锥形瓶置于恒温振荡器内进行振荡吸附不同时间后,分别取上清液,测定铀浓度,绘制咪唑基功能树脂对铀的吸附动力学曲线,结果如图5所示。可以看出:吸附2 h内,咪唑基功能树脂对溶液中铀的吸附速度较快,2 h后吸附速率变慢,8 h后达到吸附平衡,吸附量接近58 mg/g。

假设吸附过程满足准一级或准二级动力学模型^[14-15],采用这2种模型对试验数据进行拟合,结果如图6所示。

准一级动力学模型:

(1)ln(q_e-q_t)=ln q_e-k₁t;

准二级动力学模型:

(2)

t q t = 1 k 2 q e 2 + t q e 。

式中:q_e—吸附平衡时铀吸附量,mg/g;q_t—吸附t时间时铀吸附量,mg/g;k₁—准一级动力学模型的吸附速率平衡常数,min^-1;k₂—准二级动力学模型的吸附速率平衡常数,g/(mg·min)。

经计算得出:准一级动力学拟合参数为

r 12

=0.951 52,k₁=1.012 19 min^-1;准二级动力学拟合参数为

r 22

=0.998 75,k₁=0.016 57 g/(mg·min)。可见,准二级动力学模型拟合优度更高,说明咪唑基功能树脂对铀的吸附过程更符合准二级动力学模型,即化学吸附是吸附速率的控制步骤。

2.2.3 咪唑基功能树脂的等温吸附线

称取0.1 g咪唑基功能树脂于锥形瓶中,分别加入质量浓度为80~350 mg/L、pH=5的含铀溶液100 mL,在恒温振荡器中振荡8 h,取上清液,测定铀浓度。铀质量浓度对咪唑基功能树脂吸附铀的影响结果如图7所示。

由图7看出:随铀质量浓度增大,咪唑基树脂对铀的吸附量逐渐升高;当铀质量浓度增至220 mg/L时,树脂对铀的吸附量趋于饱和,达110 mg/g。

试验采用Langmuir及Freundlich等温吸附模型^[16]对图7数据进行拟合,结果如图8所示。

Langmuir吸附等温模型:

(3)

ρ e q e = ρ e q m + 1 k L q m;

Freundlich吸附等温模型:

(4)

l n q e = l n k F + 1 n l n ρ e

式中:ρ_e—吸附平衡时尾液中铀质量浓度,mg/L;q_e—吸附平衡时铀吸附量,mg/g;q_m—铀最大吸附量,mg/g;k_L—Langmuir等温吸附模型的平衡常数,L/mg;k_F—Freundlich等温吸附模型平衡常数,

mg 1 - 1 / n

L 1 / n

·g^-1;n—无因次参数,L/mg。

由图7看出:吸附平衡时,咪唑基功能树脂对铀的吸附量为112 mg/g。经计算得出:Langmuir等温吸附方程的拟合参数为

r 32

=0.989 67,k_L=0.004 138 L/mg,q_m=126 mg/g;Freundlich等温吸附方程的拟合参数为

r 42

=0.828 2,k_F=

17.964 72 m g 1 - 1 / n

L 1 / n

·g^-1。Langmuir模型拟合线性相关度大于Freundlich模型拟合线性相关度,理论最大吸附量与试验结果接近,表明咪唑基功能树脂对铀的等温吸附情况接近理想状态,属于单层均匀表面吸附^[16]。

2.2.4 阳离子对铀吸附性能的影响

称取0.1 g咪唑基树脂于锥形瓶中,调节溶液pH为5、铀质量浓度为90 mg/L,加水控制溶液总体积为100 mL。将预先配制一系列干扰金属杂质离子(A1³⁺、Zn²⁺、Mn²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺)溶液加入到铀溶液中,确保最终溶液中各金属杂质质量浓度分别为0.0、0.1、0.5、5、10、20、40、60、80 mg/L。在恒温振荡箱中振荡8 h,测定树脂的铀吸附量。试验结果如图9(a)所示。

在去离子水中加入质量浓度为90 mg/L的含铀溶液及相同质量浓度的多种干扰金属杂质离子(A1³⁺、Zn²⁺、Mn²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺)溶液,调节溶液pH为5。取0.1 g咪唑基功能树脂放入混合液中,在恒温振荡器中振荡8 h,测定树脂吸附量。试验结果如图9(b)所示。

由图9(a)可知:随各杂质离子质量浓度增大,咪唑基功能基树脂对铀的吸附量均有所下降;7种杂质离子中对树脂吸附铀影响最大的是Al³⁺,当Al³⁺质量浓度为80 mg/L时,铀吸附量为45.9 mg/g,比没有干扰离子时低20.9%,这是由于树脂会优先吸附电荷数高的离子,因此3价的Al³⁺比其他杂质离子对树脂吸附铀的影响较大;当溶液中Mg²⁺、Ca²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺质量浓度均为80 mg/L时,树脂对铀的吸附量分别为46、46.7、48、50 mg/g,Mg²⁺、Ca²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺对树脂吸附铀的影响依次增大,说明树脂对电荷数相同的离子的选择性会随原子序数增加而增强,这是水合离子的半径随原子序数增加而减小导致。

由图9(b)可知:在同时存在多种干扰金属杂质离子条件下,咪唑基功能树脂对铀的吸附量仍保持在44 mg/g,而对单一干扰金属杂质离子的吸附量均小于5.4 mg/g,说明咪唑基功能树脂对铀具有较强的吸附性能。

2.2.5 阴离子对铀吸附性能的影响

配制一系列铀质量浓度为90 mg/L、pH=5、不同硝酸根离子质量浓度(4、8、12、16、20 g/L)的吸附原液和不同氯离子质量浓度(1、2、3、4、5 g/L)的吸附原液。称取0.1 g咪唑基树脂于原液中,置于恒温振荡器中振荡8 h,取上清液,测定铀浓度,考察硝酸根离子和氯离子对咪唑基功能树脂吸附铀的影响,结果如图10所示。

由图10看出:随溶液中硝酸根和氯离子浓度增大,咪唑基树脂对铀的吸附量基本保持不变,当溶液中硝酸根和氯离子质量浓度分别增至20、5 g/L时,咪唑基功能树脂对铀的吸附量仍保持在57 mg/g左右,即树脂对硝酸根、氯离子具有较好的耐受性。这是由于咪唑基功能树脂上的咪唑基团中的N原子含有孤对电子,会和铀酰离子发生配位,而不受硝酸根和氯离子的影响^[17]。

2.2.6 咪唑基功能树脂的解吸性能

分别采用0.5 mol/L HCl溶液、1 mol/L NaCl溶液、0.5 mol/L HNO₃溶液、1 mol/L NaCl与5 g/L Na₂CO₃混合溶液为解吸剂,考察不同解吸剂对负载树脂中铀的解吸效果,试验结果见表4。可以看出:相较而言,0.5 mol/L HNO₃溶液比其他3种解吸剂对铀的解吸效果好,铀解吸率可达99.83%。

2.2.7 咪唑基功能树脂对实际含铀废水的吸附性能

为验证咪唑基树脂对实际含铀废水中铀的吸附效果,分别用咪唑基树脂和市售201×7阴离子交换树脂对某矿山实际含铀废水中的铀进行吸附试验,重复5次,结果见表5。可以看出:咪唑基功能树脂对铀的平均吸附量为36.7 mg/g,高于201×7阴离子交换树脂。这是由于阴离子交换树脂对

NO 3 -

和Cl^-有较强的亲和性,会与铀酰离子发生竞争吸附,导致铀吸附量下降。

3 结论

收起

通过悬浮聚合法制备了聚苯乙烯微球,并经过氯甲基化和咪唑化反应,成功合成了一种具有较高机械强度的新型咪唑基功能树脂。该树脂对酸性溶液中的铀具有优异的选择吸附性能,适宜条件下,其对某矿山实际含铀废液中的铀吸附量可达36.7 mg/g,显著优于市售201×7阴离子交换树脂。该新型咪唑基功能树脂在含硝酸根离子酸性溶液中具有优异的吸附性能和良好的机械强度,具有一定的实际应用潜力。

基金

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中国核工业集团有限公司研发平台稳定支持科研项目(WDZC-2023-KYKJ-002)

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

[1]

王凤菊, 陈树森, 宋艳, 等. 水杨酸螯合树脂对铀的吸附性能[J]. 铀矿冶, 2024, 43(3):40-44.

WANG

Fengju

, CHEN

Shusen

, SONG

Yan

, et al. Adsorption performance of salicylic acid chelating resin for uranium[J]. Uranium Mining and Metallurgy, 2024, 43(3):40-44.

[2]

KUMAR

J R

, KIM

J S

, LEE

J Y

, et al. A brief review on solvent extraction of uranium from acidic solutions[J]. Separation & Purification Reviews, 2011, 40(2):77-125.

[3]

宿延涛, 封宇, 勾阳飞, 等. 磁性TBP萃淋树脂的制备及吸附铀的性能测试[J]. 湿法冶金, 2019, 38(2):110-114.

Yantao

, FENG

, GOU

Yangfei

, et al. Preparation of magnetic TBP levextrel resin and adsorption uranium[J]. Hydrometallurgy of China, 2019, 38(2):110-114.

[4]

陈树森, 任宇, 勾阳飞, 等. 从高浓度硫酸体系中提取铀的螯合树脂的研制[J]. 湿法冶金, 2016, 35(2):146-149.

CHEN

Shusen

, REN

, GOU

Yangfei

, et al. Synthesis of a chelating resin for extraction of uranium from high-concentration sulfuric acid solution[J]. Hydrometallurgy of China, 2016, 35(2):146-149.

[5]

张伟波. 大颗粒偕胺肟基/羧基树脂对酸性废水中铀的分离[D]. 兰州: 兰州大学, 2023.

[6]

张益硕. 功能化吸附材料的制备及其对低浓度含铀废水的吸附效果与机理研究[D]. 南昌: 东华理工大学, 2023.

[7]

YAN

R H

, CUI

W R

, ZHANG

C R

, et al. Bio-inspired hydroxylation imidazole linked covalent organic polymers for uranium extraction from aqueous phases[J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 420.DOI:10.1016/j.cej.2021.129658.

[8]

CUI

W R

, XU

, QIU

W B

. Constructing an ultrastable imidazole covalent organic framework for concurrent uranium detection and recovery[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2023, 252.DOI:10.1016/j.ecoenv.2023.114639.

[9]

PARK

, BAE

, JIN

, et al. Carboxylate-functionalized organic nanocrystals for high-capacity uranium sorbents[J]. Journal of Hazardous Materials, 2019, 371:243-252.

[10]

BUDNYAK

T M

, GŁADYSZ-PŁASKA

, STRIZHAK

A V

, et al. Imidazole-2yl-phosphonic acid derivative grafted onto mesoporous silica surface as a novel highly effective sorbent for uranium(Ⅵ) ion extraction[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(7):6681-6693.

[11]

任宇, 陈树森, 勾阳飞. SAPP提铀螯合树脂的耐氯性能测试[J]. 铀矿冶, 2017, 36(2):99-104.

REN

, CHEN

Shusen

, GOU

Yangfei

, et al. Test of chlorine resistance behavior of SAPP chelating resin in extraction uranium process[J]. Uranium Mining and Metallurgy, 2017, 36(2):99-104.

[12]

任宇, 陈树森, 勾阳飞, 等. 氨基酸功能基高分子吸附剂的制备及从盐湖卤水中吸附铀[J]. 湿法冶金, 2022, 41(4):317-323.

REN

, CHEN

Shusen

, GOU

Yangfei

, et al. Preparation of amino acid functional polymer adsorbent and adsorption of uranium from salt lake brine[J]. Hydrometallurgy of China, 2022, 41(4):317-323.

[13]

杨伯和. 强碱性阴离子交换树脂从硫酸溶液中吸着铀的机理[J]. 铀矿冶, 1988, 7(1):42-46.

YANG

Bohe

. The mechanism of uranium adsorption by strongly basic anion exchange resin from sulfuric acid solution[J]. Uranium Mining and Metallurgy, 1988, 7(1):42-46.

[14]

勾阳飞, 封宇, 陈树森, 等. 低密度树脂的制备及其对矿浆中铀的吸附性能研究[J]. 湿法冶金, 2023, 42(3):269-275.

GOU

Yangfei

, FENG

, CHEN

Shusen

, et al. Preparation of low-density resin and its adsorption poperties of uranium from pulp[J]. Hydrometallurgy of China, 2023, 42(3):269-275.

[15]

左丽华. 氨基酸改性偕胺肟材料的制备及对铀/钒吸附机理研究[D]. 南昌: 东华理工大学, 2023.

[16]

刘铠铭, 姜秀榕, 林昕, 等. 羧甲基壳聚糖对Cr(Ⅵ)吸附性能及吸附热力学、动力学研究[J]. 离子交换与吸附, 2021, 37(3):234-243.

LIU

Kaiming

, JIANG

Xiurong

, LIN

Xin

, et al. Study on the adsorprtion property and adsorprtion thermodynamies,kinetics carboxymethyl chitosan for Cr(Ⅵ)[J]. Adsorption and Ion Exchange, 2021, 37(3):234-243.

[17]

ZHANG

, ZENG

, WANG

, et al. An imidazole functionalized porous organic polymer for the highly efficient extraction of uranium from aqueous solutions[J]. New Journal of Chemistry, 2022, 46(19):9238-9249.

2025年第44卷第3期

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doi: 10.13355/j.cnki.sfyj.2025.03.012

接收时间：2025-01-21
首发时间：2025-09-01
出版时间：2025-06-20

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出版历史

收稿日期：2025-01-21

基金

中国核工业集团有限公司研发平台稳定支持科研项目(WDZC-2023-KYKJ-002)

作者信息

核工业北京化工冶金研究院,北京 101149

通讯作者:

陈树森(1978—),男,博士,研究员级高级工程师,主要研究方向为有机高分子分离材料研发。

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

ρ_B/(mg·L^-1)	ρ_B/(g·L^-1)
U	A1³⁺	Zn²⁺	Mn²⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	K⁺	Na⁺	$NO 3 -$	Cl^-
90	87	73	67	54	44	9.8	11	17	4

ρ_B/(mg·L^-1)

ρ_B/(g·L^-1)

A1³⁺

Zn²⁺

Mn²⁺

Ca²⁺

Mg²⁺

K⁺

Na⁺

NO 3 -

Cl^-

9.8

样品	C	H	O	N	Cl
氯球	77.68	8.82	0	0	17.10
咪唑基树脂	75.92	8.62	0	13.66	1.80

样品

氯球

77.68

8.82

17.10

咪唑基树脂

75.92

8.62

13.66

1.80

干树脂强碱质量交换容量/ (mmol·g^-1)	干树脂弱碱质量交换容量/ (mmol·g^-1)	含水量/%	渗磨圆球率/%	压碎强度/ (g·颗^-1)
3.47	2.85	56.33	93.47	1 295

干树脂强碱
质量交换
容量/
(mmol·g^-1)

干树脂弱碱
质量交换
容量/
(mmol·g^-1)

含水
量/%

渗磨圆球
率/%

压碎强度/
(g·颗^-1)

3.47

2.85

56.33

93.47

1 295

解吸剂	解吸率/%
0.5 mol/L HCl	83.56
1 mol/L NaCl	11.47
0.5 mol/L HNO₃	99.83
1 mol/L NaCl+5 g/L Na₂CO₃	64.77

解吸剂

解吸率/%

0.5 mol/L HCl

83.56

1 mol/L NaCl

11.47

0.5 mol/L HNO₃

99.83

1 mol/L NaCl+5 g/L Na₂CO₃

64.77

材料	铀吸附量/(mg·g^-1)	铀平均吸附量/ (mg·g^-1)
咪唑基功能树脂	30.0	35.0	38.0	40.2	40.3	36.7
201×7阴离子交换树脂	8.5	15.4	18.2	18.7	18.7	15.9

材料

铀吸附量/(mg·g^-1)

铀平均吸附量/
(mg·g^-1)

第1次

第2次

第3次

第4次

第5次

咪唑基功能树脂

30.0

35.0

38.0

40.2

40.3

36.7

201×7阴离子交换树脂

8.5

15.4

18.2

18.7

15.9