De ontwikkeling van nanomaterialen voor het verwijderen van uranium uit vervuild water heeft veel aandacht gekregen vanwege hun efficiëntie en stabiliteit. In dit geval wordt het nZVI@KGMC-materiaal, dat nano-zero valent ijzer (nZVI) combineert met een koolstofcoating, gepresenteerd als een veelbelovende oplossing voor uraniumextractie en de afbraak van organische stoffen.

Bij verdere validatie van de Fe L-edge XAS-spectra (Figuur 3.6e) werd bevestigd dat de Fe0-piek in nZVI@KGMC bij 708,0 eV verdween na de reactie, wat overeenkomt met de XPS-resultaten. Daarnaast waren de karakteristieke pieken van uranium duidelijk zichtbaar in de XPS-spectra na de reactie, wat duidt op de aanwezigheid van tetravalent uranium (U(IV)) bij 380,7 en 391,6 eV, evenals hexavalent uranium (U(VI)) bij 381,7 eV en 380,7 eV, in lijn met de gepubliceerde gegevens (Figuur 3.6f). Deze waarnemingen bevestigen de succesvolle reductie van uranium door het nZVI@KGMC-materiaal.

Theoretische simulaties werden uitgevoerd om het elektrostatistische potentiaal (ESP) op het oppervlak van de moleculen te berekenen. De verdeling van negatieve en positieve ladingen op het oppervlak van zowel KGMC als nZVI@KGMC werd bestudeerd (Figuur 3.7a–d). De resultaten tonen aan dat de negatieve ladingen zich concentreren op de zuurstofbevattende functionele groepen op het oppervlak van KGMC, wat suggereert dat elektrostatistische interacties de lokalisatie van uranium op het materiaal bevorderen. Wanneer het oppervlak van KGMC werd geladen met Fe0-clusters, veranderde de verdeling van negatieve ladingen niet significant, maar positieve ladingen werden geconcentreerd op de Fe0-clusters. Dit ondersteunt de theorie dat Fe0-clusters de overdracht van elektronen vergemakkelijken, wat leidt tot de reductie van U(VI) tot U(IV) op het oppervlak van KGMC.

Het voorgestelde mechanisme voor de verrijking van uranium en de afbraak van organische stoffen door nZVI@KGMC is gebaseerd op verschillende chemische reacties. Aanvankelijk vergemakkelijken de zuurstofhoudende functionele groepen op het oppervlak van KGMC de adsorptie van U(VI). Dit geadsorbeerde U(VI) wordt vervolgens gereduceerd tot U(IV) door elektronenoverdracht van de koolstofcoatede nZVI-deeltjes, terwijl sommige niet-gecoate nZVI-deeltjes direct contact maken met het uranium in oplossing en het reduceren. Deze reacties worden verder ondersteund door de aanwezigheid van Fe2+ in het nZVI@KGMC, dat met U(VI) reageert, waardoor gereduceerd U(IV) ontstaat.

De chemische vergelijkingen die de reductie en de afbraak van organische stoffen beschrijven, zijn als volgt:

UO2+ 2 + Fe0 → UO2(s) + Fe2+
UO2+ 2 + 2Fe2+ → UO2(s) + 2Fe3+
Fe0 + O2 + 2H+ → Fe2+ + H2O2
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + •OH + OH−
TA∕MB∕BPA∕Rhb + •OH → CO2 + H2O

Wanneer organische stoffen aan het systeem worden toegevoegd, bereikt nZVI@KGMC zowel de afbraak van deze stoffen als de verrijking van uranium. De ESR-spectra toonden aan dat de reactieve hydroxylradicalen, geproduceerd door nZVI@KGMC, effectief de organische stoffen degradeerden. Dit suggereert een synergetisch effect van de combinatie van KGMC en nZVI voor zowel uraniumadsorptie-reductie als organische stofafbraak.

De voordelen van het nZVI@KGMC-materiaal zijn evident, vooral in het verwerken van uraniumbevattend radioactief afvalwater. Binnen 60 minuten kan de verrijkingsgraad van uranium oplopen tot maar liefst 90,1%, met een capaciteit van 720,8 mg/g. Dit materiaal blijft efficiënt werken, zelfs in de aanwezigheid van verontreinigende ionen en organische stoffen die de omstandigheden in de echte wereld nabootsen. Dit bewijst niet alleen de sterkte van de specifieke katalytische eigenschappen van het materiaal, maar ook zijn stabiliteit in complexe omgevingen.

Het mechanisme achter de uraniumextractie is gebaseerd op de unieke eigenschappen van nZVI@KGMC. De zuurstofhoudende groepen op het oppervlak van KGMC vangen U(VI) effectief en beperken de mobiliteit ervan. Vervolgens zorgt de aanwezigheid van nZVI voor de reductie van U(VI) naar U(IV), wat de efficiëntie van de uraniumadsorptie en -reductie vergroot. Dit maakt het materiaal bijzonder geschikt voor toepassingen in diverse milieuomstandigheden en biedt een economische en effectieve methode voor de behandeling van radioactief afvalwater met nZVI.

Deze bevindingen hebben de weg geëffend voor de ontwikkeling van stabiele nZVI-materialen voor uraniumverrijking en de afbraak van organische stoffen, wat kan leiden tot duurzamere oplossingen voor de behandeling van radioactief afval in de toekomst.

Hoe Kan Oxidatie van Uraniumafvalwater met Fluoride de Zuivering Verbeteren?

Oxidatieprocessen spelen een cruciale rol in het zuiveren van uraniumhoudend afvalwater, vooral wanneer fluoriden aanwezig zijn. De aanwezigheid van fluoriden in uraniumafvalwater vormt een bijzondere uitdaging voor de behandeling, vanwege de chemische interacties die ontstaan tussen het fluoride en het uranium. Dit type afvalwater komt veel voor in zowel de nucleaire industrie als bij de productie van nucleaire brandstoffen, waar uranium in zijn verschillende chemische vormen voorkomt, vaak vergezeld van fluoriden die de zuiveringsprocessen bemoeilijken. Het correct aanpakken van deze specifieke uitdaging is noodzakelijk voor het effectief reinigen van water en het minimaliseren van milieu-impact.

Bij de oxidatie van uranium in fluoridebevattend afvalwater komt het erop aan de oxidatieomstandigheden zodanig aan te passen dat het uranium in een meer oplosbare of minder schadelijke vorm wordt omgezet. Dit proces kan zowel chemisch als elektrocatalytisch plaatsvinden, waarbij verschillende technologieën, zoals de inzet van geschikte katalysatoren en externe elektrische velden, het mogelijk maken om uranium effectief uit het water te extraheren. De ontwikkeling van dergelijke processen vereist gedetailleerde kennis van zowel de chemische eigenschappen van uranium als de dynamiek van de interacties met fluoride.

Oxidatie van uranium in aanwezigheid van fluoride kan de vorming van stabiele en minder toxische uraniumverbindingen bevorderen. De uitdaging ligt vooral in het controleren van de reactieomstandigheden zodat de vorming van ongewenste bijproducten, zoals uraniumfluoriden die moeilijk te verwijderen zijn, wordt geminimaliseerd. Er is een verscheidenheid aan technieken die gebruikt kunnen worden om de oxidatie te verbeteren, zoals het gebruik van nanomaterialen of gestructureerde elektrodeoppervlakken die de reactiesnelheid verhogen en de selectiviteit voor uraniumverbindingen verbeteren.

Een ander belangrijk aspect is de keuze van geschikte katalysatoren die de oxidatie bevorderen zonder dat er schadelijke secundaire effecten optreden. Veelbelovende technologieën omvatten het gebruik van fotokatalyse en elektrocatalyse. In fotokatalytische processen wordt licht gebruikt om een katalysator te activeren die de oxidatie van uranium bevordert, terwijl elektrocatalytische methoden gebruik maken van een extern elektrisch veld om de reactie te versnellen en de efficiëntie van uraniumextractie te verhogen.

In realistische scenario's, zoals bij de behandeling van nucleair afvalwater, moeten de gebruikte technologieën niet alleen effectief zijn, maar ook bestand tegen de complexe chemische omgeving van het afvalwater. Dit betekent dat materialen die in de oxidatieprocessen worden gebruikt, zoals elektroden en katalysatoren, voldoende stabiliteit en weerstand moeten bieden tegen de corrosieve en reactieve elementen die vaak aanwezig zijn in het afvalwater.

Hoewel oxidatie een veelbelovende benadering is voor de zuivering van uraniumhoudend afvalwater, zijn er ook risico's die moeten worden beheerd. Het is essentieel om de reactieomstandigheden nauwkeurig te controleren om ongewenste neveneffecten, zoals de vorming van giftige fluoriden of de reductie van uranium naar gevaarlijkere vormen, te voorkomen. De voortdurende ontwikkeling van nieuwe materialen en technieken is cruciaal om deze processen verder te optimaliseren en de veiligheid en effectiviteit van de behandeling te waarborgen.

In de toekomst zullen zowel chemische als elektrofysische innovaties de kern vormen van de verdere vooruitgang op dit gebied. Het combineren van oxidatie met andere technologieën, zoals ionenuitwisseling of het gebruik van bio-gebaseerde benaderingen, kan een veelbelovende richting zijn voor de behandeling van uraniumhoudend afvalwater. Het is belangrijk dat er niet alleen aandacht wordt besteed aan de effectiviteit van de processen, maar ook aan de duurzaamheid en de impact op het milieu van de gebruikte materialen en technieken.

Hoe temperatuur en zwavelvacatures de fotokatalytische efficiëntie van MoSx/RGO hybride nanovlokken beïnvloeden voor uraniumextractie

De overgang van de fasen (001) naar (002) in MoS2 betekent dat verhoogde temperaturen de vorming van een stabielere kristallijne fase van MoS2 bevorderen, wat de structurele stabiliteit van de MoSx/RGO-composieten verbetert. De Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) toont aan dat de hybride nanovlokken van MoSx/RGO een aanzienlijke hoeveelheid zuurstofhoudende functionele groepen (–OH en –COOH) van RGO behouden. Dit biedt veelvuldige adsorptieplaatsen voor de opname van U(VI). De röntgenfotoelectronenspectroscopie (XPS) werd vervolgens gebruikt om de chemische samenstelling van het oppervlak en de elektronische structuur van de MoSx/RGO-hybride nanovlokken verder te verduidelijken. De Mo 3d-spectra vertoonden vier pieken, waarbij de pieken bij 232,6 en 229,5 eV werden toegeschreven aan Mo(IV), en de pieken bij 235,9 en 233,8 eV aan Mo(VI). Opmerkelijk is dat, naarmate de hydrothermale synthetisatietemperatuur stijgt, de karakteristieke piek van Mo(VI) geleidelijk afneemt, totdat deze uiteindelijk volledig overgaat in Mo(IV), wat overeenkomt met de waargenomen overgang in de kristalstructuur van MoS2.

Verder vertoont het S 2p XPS-spectrum van MoSx/RGO karakteristieke pieken bij 162,8 en 163,6 eV, die respectievelijk overeenkomen met de S 2p1/2 en S 2p3/2 toestanden. Uit de elementaire mappinganalyse blijkt dat koolstof (C), stikstof (N), zuurstof (O), zwavel (S) en molybdeen (Mo) gelijkmatig over het oppervlak van het MoS1.77/RGO-materiaal zijn verdeeld. Dit ondersteunt het idee dat MoS1.77 nanovlokken gelijkmatig op de RGO-nanovlokken zijn gedeponeerd.

Om de directe invloed van verschillende synthetisatietemperaturen op de vorming van zwavelvacatures in MoSx/RGO hybride nanovlokken te verifiëren, werd een EPR-analyse uitgevoerd. De EPR-spectra tonen duidelijk de variaties in de zwavelvacatures onder verschillende synthetisatietemperaturen. De MoS1.92/RGO hybride nanovlokken vertonen een relatief zwak EPR-signaal bij g=2,003, wat wijst op een lagere concentratie zwavelvacatures in het composietmateriaal dat bij 170 °C is gesynthetiseerd. Naarmate de synthetisatietemperatuur stijgt, versterkt het resonantiesignaal aanzienlijk, wat suggereert dat de concentratie zwavelvacatures effectief kan worden gemoduleerd door de synthetisatietemperatuur aan te passen.

De energiebandstructuur van MoSx nanovlokken werd verder onderzocht om de coördinatierelatie tussen de energiebanden van RGO en MoSx nanovlokken te verduidelijken. Aan de hand van de UV-Vis diffuse reflectantie spectroscopie (DRS) werd opgemerkt dat materialen met drie verschillende concentraties zwavelvacatures aanzienlijke lichtabsorptie vertoonden in het bereik van 300-700 nm. Echter, naarmate het aantal zwavelvacatures toeneemt, neemt de absorptie-intensiteit af, mogelijk door de invloed van de vacatureniveaus op de optische absorptiekenmerken van de materialen. De DRS-gegevens werden verder omgezet via de Kubelka-Munk methode, waarna de Tauc-plots werden geconstrueerd om de optische bandgaten (Eg) van MoS1.92, MoS1.77 en MoS1.72 te berekenen. Deze waarden werden respectievelijk vastgesteld op 1,46, 1,28 en 1,12 eV. Dit duidt erop dat de variatie in bandgap wordt toegeschreven aan de verschillende concentraties zwavelvacatures in de materialen, waarbij zwavelvacatures de bandgap breedte van MoSx effectief kunnen moduleren.

Bovendien vertoonde de Mott-Schottky plot een positieve helling, wat aangeeft dat MoSx n-type halfgeleiderkenmerken vertoont. De berekende vlakbandpotentiaal (Efb) van MoSx voor de drie materialen was respectievelijk −0,38, −0,28 en −0,16 V ten opzichte van de referentiehydrogenelektrode (RHE). De analyse van het ultraviolet foto-elektronspectroscopie (UPS)-spectrum liet zien dat de valentiebandranden van MoS1.92, MoS1.77 en MoS1.72 respectievelijk 5,42, 5,36 en 5,30 eV waren ten opzichte van het vacuüm energieniveau en 0,92, 0,86 en 0,80 V ten opzichte van de RHE. De geconcludeerde geleidende bandpotentiaal (CB) van MoSx nanovlokken varieerde van −0,54, −0,42 tot −0,32 V versus RHE, waarbij deze waarden meer negatief waren dan het reductiepotentiaal van UO2+ 2 /UO2 (+0,411 V). Dit geeft aan dat het MoSx/RGO composietmateriaal in staat is om U(VI) thermodynamisch te reduceren naar U(IV).

Bij de evaluatie van de extractieprestaties en cyclische stabiliteit van de MoSx/RGO fotokatalysator voor uranium werd gekeken naar factoren zoals verlichting, initiële uraniumconcentratie, kationinterferentie en cyclische stabiliteit. Onder donkere omstandigheden vertoonde RGO een relatief lage extractiesnelheid van U(VI) van slechts 35,5%, terwijl het MoS1.77/RGO-composiet de hoogste verwijderingssnelheid bereikte van 52,9%. Deze verbetering werd toegeschreven aan de elektronenoverdracht die plaatsvond aan het interface van MoS2 en RGO, wat nieuwe negatief geladen actieve sites creëerde die de adsorptie van UO2+ 2 versterkten. Wanneer verlichting werd toegepast, werd de extractiecapaciteit van RGO voor U(VI) nauwelijks verbeterd, terwijl het MoSx/RGO-composiet door de reductiereacties van U(VI) verbeterde adsorptiedynamiek vertoonde, waardoor de efficiëntie van de extractie toenam.

De verhouding van de hoeveelheid U(VI) die werd geëxtraheerd vertoonde een vulkaanvormige relatie met de concentratie van zwavelvacatures, waarbij de MoS1.77/RGO hybride nanovlokken de hoogste extractiesnelheid van 91,6% bereikten. Dit bevestigt de belangrijke rol van de juiste uitlijning van de energiebanden in het fotokatalytische proces voor uraniumextractie.

Daarnaast toonde de voortdurende evaluatie van het materiaal tijdens meerdere herhaalde reacties aan dat het MoS1.77/RGO-composiet zelfs na vijf opeenvolgende reacties een uitzonderlijk stabiele en efficiënte verwijdering van U(VI) vertoonde, met een efficiëntie die boven de 93% bleef, ongeacht de verandering in initiële uraniumconcentraties.

De rol van kernenergie in het energiebesparings- en emissiereductieproces

Kernenergie speelt een cruciale rol in het verbeteren van de klimaatverandering, door bij te dragen aan de reductie van broeikasgassen en het bevorderen van duurzame energiebronnen. Als een milieuvriendelijke, veilige en efficiënte bron van energie heeft kernenergie zich bewezen als een belangrijke speler in de wereldwijde energievoorziening. Volgens de Internationale Organisatie voor Atoomenergie (IAEA) waren er eind 2023 31 landen die kernreactoren in bedrijf hadden, met 418 reactoren en een totale operationele capaciteit van 387 GW. De totale wereldproductie van kernenergie in 2023 was 2552,07 TWh, een stijging van 2,6% ten opzichte van 2022.

De Verenigde Staten, China en Frankrijk zijn de leidende landen in de productie van kernenergie. De Verenigde Staten hebben de grootste nucleaire vloot ter wereld, goed voor 31% van de wereldwijde nucleaire energieproductie (779,2 TWh). China volgt met 16% (406,5 TWh) en Frankrijk produceerde 323,8 TWh, wat neerkomt op 13% van het wereldtotaal. In 2023 waren er wereldwijd 59 kernreactoren in aanbouw, met een totale capaciteit van 61,1 GW. Deze trend van versnelde reactorbouw wijst op een toenemende vraag naar nucleaire energie.

De vraag naar uranium, de belangrijkste brandstof voor kernreactoren, groeit tegelijkertijd. Uranium is essentieel voor kernenergieproductie, en de groei van de nucleaire industrie stimuleert de behoefte aan uraniumbronnen. In 2021 bereikte de wereldwijde productie van uranium 43.731 ton, wat slechts 74% van de wereldwijde vraag naar uranium voor kernreactoren dekte. Dit duidt erop dat de wereldwijde productie van uranium momenteel niet in staat is om aan de vraag te voldoen, waarbij ongeveer 30% van de benodigde uraniumvoorziening wordt gedekt door secundaire uraniumbronnen (uranium dat eerder in kernreactoren is gebruikt, herwonnen en opnieuw verwerkt voor hergebruik).

In 2035 wordt verwacht dat de totale capaciteit van operationele kernreactoren wereldwijd zal stijgen naar 683 GW, wat een uraniumvraag van 104.740 ton met zich meebrengt. Het is duidelijk dat de relatie tussen uraniumbronnen en de vraag naar uranium een onderlinge afhankelijkheid vertoont: een stijging in de vraag naar uranium leidt tot een verhoogde productie van uranium.

De stabiliteit van de uraniumvoorziening is echter een complex probleem, omdat de meeste landen die kernenergie verbruiken, zelf geen uranium produceren. Daarentegen zijn de landen die uranium produceren, doorgaans niet de landen die het zelf verbruiken. Dit heeft geleid tot een dringende noodzaak om een stabiele levering van uranium te waarborgen, vooral nu het belang van kernenergie in de wereldwijde energiemix steeds groter wordt.

De uraniumcyclus in de nucleaire industrie is een gecompliceerd proces dat bestaat uit verschillende fasen, waaronder uraniumwinning, zuivering, verrijking, chemische conversie, brandstoffabricage, reactorapplicatie en herverwerking. Het proces begint met de winning van uranium uit ondergrondse mijnen, gevolgd door het verpletteren en chemisch zuiveren van het uraniumerts. Na zuivering wordt het uranium verrijkt om het aandeel van het isotopen 235U te verhogen, wat essentieel is voor de productie van brandstofelementen voor kernreactoren. Het verrijkte uranium wordt vervolgens verwerkt tot brandstofstaven die in kernreactoren worden geïnstalleerd om gecontroleerde kernsplijting te veroorzaken, wat warmte vrijmaakt die vervolgens in elektriciteit wordt omgezet.

Het gebruikte brandstof, bekend als verbruikte brandstof, moet op de juiste manier worden afgehandeld. Verbruikte brandstof kan worden herverwerkt om niet-gespleten uranium en geproduceerd plutonium terug te winnen. Dit herverwerkte uranium en plutonium kan opnieuw als brandstof worden gebruikt. Alternatief kan de verbruikte brandstof veilig worden verpakt en opgeslagen totdat de radioactiviteit is afgenomen tot een lager niveau, waarna het definitief kan worden afgevoerd. Elk onderdeel van de uraniumcyclus moet strikt voldoen aan internationale normen voor nucleaire veiligheid en milieubescherming om de veiligheid van het publiek te waarborgen.

Uranium zelf heeft unieke chemische eigenschappen die het bijzonder geschikt maken voor gebruik in de nucleaire industrie. Het heeft meerdere oxidatietoestanden, waaronder U(IV) en U(VI), die essentieel zijn voor de chemische reacties die plaatsvinden tijdens het gebruik van uranium in de kernsplijting. Uranium is relatief stabiel in de lucht, maar fijn poeder van uranium kan gemakkelijk auto-ontbranden en uraniumoxide vormen. In een kernreactor ondergaat het uranium-235 een splijtingsreactie wanneer het een thermisch neutron opneemt, wat een aanzienlijke hoeveelheid energie vrijmaakt die wordt omgezet in elektriciteit.

De chemische eigenschappen van uranium, vooral de isotopen 235U en 238U, zijn cruciaal voor de werking van kernreactoren. Het vermogen van uranium om in verschillende chemische vormen en verbindingen te bestaan, maakt het een veelzijdige stof die zorgvuldig moet worden beheerd in het nucleaire brandstofcyclus. De chemische eigenschappen van uranium beïnvloeden niet alleen de efficiëntie van energieproductie, maar ook de veiligheid van het gebruik van uranium in de nucleaire industrie. Door onderzoek naar de chemische eigenschappen van uranium kunnen wetenschappers en ingenieurs kernbronnen beter beheren, wat essentieel is voor de duurzame ontwikkeling van de nucleaire energie-industrie.

De groeiende vraag naar uranium en de bijbehorende noodzaak om de uraniumcyclus te optimaliseren, brengt nieuwe uitdagingen met zich mee, met name op het gebied van de milieueffecten van uraniumwinning, de efficiëntie van verrijkingsprocessen en de lange termijn veiligheid van nucleaire afvalopslag. De technologische vooruitgangen in de nucleaire industrie bieden echter veelbelovende perspectieven voor het verbeteren van de benutting van uranium en het verkleinen van de ecologische voetafdruk van kernenergie.

Wat zijn de meest effectieve methoden voor het verwijderen van U(VI) uit water met behulp van fotokatalyse?

Onder Xenonlampverlichting (volledig spectrum, 200 mW/cm²) met een initiële concentratie van U(VI) van 50 mg/L, pH = 5, temperatuur = 293 K en fotokatalysatorconcentratie van 0,5 g/L werden de adsorptie- en fotokatalytische eigenschappen van drie verschillende monsters getest. Figuur 9.3a toont de verandering van de U(VI)-concentratie in de tijd voor deze monsters. Na twee uur behandeling in het donker waren de verwijderingspercentages van U(VI) voor NH2-UiO-66, MnOx/NH2-UiO-66 en MnO2/NH2-UiO-66 respectievelijk 24,8%, 46,8% en 26,4%. Na twee uur belichting nam het verwijderingspercentage van U(VI) voor NH2-UiO-66 en MnO2/NH2-UiO-66 iets toe tot respectievelijk 34,2% en 41,3%, terwijl MnOx/NH2-UiO-66 een opmerkelijk verwijderingspercentage van 97,8% bereikte. Om de reactiekinetiek verder te evalueren, werden de fotokatalytische snelheidsconstanten (k) voor de drie monsters berekend. Figuur 9.3b toont de resultaten van de eerste-orde kinetiek, waarbij de k-waarden voor NH2-UiO-66, MnOx/NH2-UiO-66 en MnO2/NH2-UiO-66 respectievelijk 0,0052, 0,0360 en 0,0065/min waren. MnOx/NH2-UiO-66 toonde een uitzonderlijk U(VI) verwijderingsvermogen en uitstekende selectieve adsorptiecapaciteit onder kationische interferentie (Figuur 9.3c). Bovendien vertoonde MnOx/NH2-UiO-66 een uitstekende U(VI) verwijderingscapaciteit (> 90%) over acht cycli (Figuur 9.3d).

In reactie op de aanzienlijke hoeveelheden fluoriden- en uraniumhoudend afvalwater die door industriële processen worden gegenereerd, werden tests uitgevoerd om de verwijderingsefficiëntie van U(VI) te beoordelen met MnOx/NH2-UiO-66 in de aanwezigheid van F−-ionen. Gezien het feit dat F− sterke Zr-F-bindingen kan vormen met zirconium, werden de XRD-spectra van MnOx/NH2-UiO-66 na de reactie geanalyseerd tijdens de fluoride-interferentie-experimenten, en de concentratie van residu Zr4+ in de oplossing werd gemeten met behulp van inductief gekoppelde plasma-optische emissiespectrometrie (ICP-OES). Zoals geïllustreerd in Figuur 9.4a, vertoonde MnOx/NH2-UiO-66 een bewonderenswaardige U(VI) verwijderingscapaciteit van 81,9% ondanks de interferentie van F−. Daarentegen gaven de XRD-spectra van MnOx/NH2-UiO-66 (Figuur 9.4b) aan dat de structuur en kristalliniteit grotendeels intact bleven, zelfs wanneer het werd blootgesteld aan bepaalde concentraties van corrosieve F−-ionen.

In termen van praktische toepassingen werd de variatie van de U(VI)-concentratie over één dag weergegeven, met metingen om de 15 minuten om het zonne-energie-niveau te beoordelen. Zoals te zien is in Figuur 9.5, bereikte MnOx/NH2-UiO-66 een opmerkelijke U(VI) verwijderingscapaciteit van 99,9% onder blootstelling aan zonlicht van 8:00 tot 18:00 uur.

Door de elektronische structuren en optische eigenschappen van NH2-UiO-66, MnOx/NH2-UiO-66 en MnO2/NH2-UiO-66 te onderzoeken, werd het mechanisme achter de fotokatalytische reductie van U(VI) onderzocht. De ultraviolet-zichtbare (UV-Vis) spectra van de drie monsters (Figuur 9.6a) geven aan dat de incorporatie van MnOx-nanodeeltjes op NH2-UiO-66 zijn lichtabsorptie in het zichtbare lichtbereik aanzienlijk versterkt. Na 10 uur bestraling nam de concentratie van U(VI) af van 50 mg/L naar 28 μg/L, waarmee de drinkwaternormen van de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) werden gehaald. Door de Tauc-vergelijking en de UV-Vis-absorptieverhoudingen (Figuur 9.6a) te gebruiken, werden de bandgap (Eg)-waarden voor NH2-UiO-66, MnOx/NH2-UiO-66 en MnO2/NH2-UiO-66 bepaald op respectievelijk 3,01, 2,88 en 2,94 eV (Figuur 9.6b). Op basis van deze Eg-waarden en de posities van de maxima van de valentieband (VBM), werden de bandstructuurdiagrammen voor de drie monsters geconstrueerd (Figuur 9.6c). Figuur 9.6c toont aan dat de randen van de geleidingsband (CB) van alle drie de monsters de reductiepotentiaal van de UO₂²⁺/UO₂-koppel (-0,411 eV) overschrijden, waarmee ze voldoen aan de theoretische vereisten voor de fotokatalytische reactie.

Bij het onderzoeken van de rol van de amino-groepen en MnOx-nanodeeltjes in de fotokatalytische reductie van U(VI) met MnOx/NH2-UiO-66 werd aangetoond dat de morfologie en structuur van MnOx/NH2-UiO-66 goed behouden bleven, en dat de elementverdeling gedurende het proces onveranderd bleef [37]. Bovendien werden de XRD-spectra van MnOx/NH2-UiO-66 vóór en na de reactie geanalyseerd. Zoals weergegeven in Figuur 9.7a, werd de structurele integriteit van MnOx/NH2-UiO-66 effectief behouden na de reactie, met een duidelijke piek die overeenkomt met UO₂O₂∙2H₂O (# PDF 35-0571) in de spectrums [38]. In het U 4f XPS-spectrum van MnOx/NH2-UiO-66-U werden twee hoofdpieken gedetecteerd, die overeenkomen met de U 4f5/2 en U 4f7/2 niveaus (Figuur 9.7b). Het U 4f5/2 signaal, met bindingsenergieën variërend van 385 tot 395 eV, werd opgelost in twee pieken bij 391,2 en 392,8 eV, die respectievelijk overeenkomen met U(IV) en U(VI).

Naast de technische details van het proces is het belangrijk te benadrukken dat de effectiviteit van de fotokatalytische verwijdering van U(VI) niet alleen afhankelijk is van de aard van de fotokatalysator, maar ook van externe factoren zoals de lichtintensiteit, de temperatuur en de pH-waarde van het water. Het is dus essentieel om niet alleen de fotokatalytische materialen zelf te optimaliseren, maar ook de operationele omstandigheden van het proces goed te begrijpen. Verder blijft de vraag van de regeneratiecapaciteit van de katalysatoren een cruciaal punt voor de praktische toepassingen van fotokatalytische technologieën in grootschalige waterzuiveringsinstallaties.

Is Anti-Aging Medicine the Key to a Healthy Future?
Hoe Forensisch Onderzoek Bewijzen en Verdachten Verbindt met Misdrijven
Hoe Trump de Populistische Beweging in de VS Vormgaf: Van Elitekritiek tot Nationale Identiteit
Wat kan de geschiedenis van extremisme binnen de Republikeinse Partij ons leren over de invloed van paranoia op politieke bewegingen?
Wat is de levensduur van epoxy coatings in maritieme structuren en wat beïnvloedt deze?