Efficient Uranium Capture by Polysulfide/Layered Double Hydroxide Composites

化学 铀酰 氢氧化物 海水 吸附 水溶液 插层(化学) 核化学 多硫化物 离子 选择性 无机化学 冶金 有机化学 催化作用 电解质 物理化学 海洋学 材料科学 地质学 电极
作者
Shulan Ma,Lu Huang,Lijiao Ma,Yurina Shim,Saiful M. Islam,Pengli Wang,Li‐Dong Zhao,Shichao Wang,Genban Sun,Xiaojing Yang,Mercouri G. Kanatzidis
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:137 (10): 3670-3677 被引量:442
标识
DOI:10.1021/jacs.5b00762
摘要

There is a need to develop highly selective and efficient materials for capturing uranium (normally as UO2(2+)) from nuclear waste and from seawater. We demonstrate the promising adsorption performance of S(x)-LDH composites (LDH is Mg/Al layered double hydroxide, [S(x)](2-) is polysulfide with x = 2, 4) for uranyl ions from a variety of aqueous solutions including seawater. We report high removal capacities (q(m) = 330 mg/g), large K(d)(U) values (10(4)-10(6) mL/g at 1-300 ppm U concentration), and high % removals (>95% at 1-100 ppm, or ∼80% for ppb level seawater) for UO2(2+) species. The S(x)-LDHs are exceptionally efficient for selectively and rapidly capturing UO2(2+) both at high (ppm) and trace (ppb) quantities from the U-containing water including seawater. The maximum adsorption coeffcient value K(d)(U) of 3.4 × 10(6) mL/g (using a V/m ratio of 1000 mL/g) observed is among the highest reported for U adsorbents. In the presence of very high concentrations of competitive ions such as Ca(2+)/Na(+), S(x)-LDH exhibits superior selectivity for UO2(2+), over previously reported sorbents. Under low U concentrations, (S4)(2-) coordinates to UO2(2+) forming anionic complexes retaining in the LDH gallery. At high U concentrations, (S4)(2-) binds to UO2(2+) to generate neutral UO2S4 salts outside the gallery, with NO3(-) entering the interlayer to form NO3-LDH. In the presence of high Cl(-) concentration, Cl(-) preferentially replaces [S4](2-) and intercalates into LDH. Detailed comparison of U removal efficiency of S(x)-LDH with various known sorbents is reported. The excellent uranium adsorption ability along with the environmentally safe, low-cost constituents points to the high potential of S(x)-LDH materials for selective uranium capture.
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