CN108568284A - 一种利用负载型石墨烯基材料去除210Po气溶胶的方法 - Google Patents

一种利用负载型石墨烯基材料去除210Po气溶胶的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种负载型石墨烯基材料及其制备方法和其在LBE快堆中高放射性210Po气溶胶的去除中的应用，所述材料包括三维石墨烯材料和负载在其上的稀土基碱性纳米材料。本发明的负载型石墨烯基材料用于LBE快堆中高放射性210Po气溶胶的去除时，对210Po的固化去除率可以大于99％，极具应用前景。

Description

一种利用负载型石墨烯基材料去除210Po气溶胶的方法
技术领域
本发明涉及核反应堆外排废气中高放射性气溶胶的去除技术领域，具体涉及一种负载型石墨烯基材料及其制备和在LBE快堆中对高放射性210Po气溶胶的高效去除的应用。
背景技术
纯铅/铅铋具有优良的物理、化学特性和核特性，然而，使用纯铅/铅铋作为反应堆的主冷却剂，会带来比较棘手的难题，其中最为主要的问题之一就是放射性钋(210Po)的防护问题。纯铅/铅铋冷却剂受中子辐照而活化产生210Po，210Po具有极毒性和强挥发性。210Po属于环境高危放射性人工核素，如果人体超剂量接触，会导致血癌、淋巴癌等严重辐射疾病。我国现在设计的LBE(Lead-bismuth eutectic)快堆运行时，铋在受到堆内的中子辐照后，会嬗变成210Po等高放射性人工核素，这对后期的综合治理带来巨大难题。据测算，国内LBE快堆的气封层(氩气)中高放射性210Po气溶胶的含量超出国外两个数量级。因此，开发高效的210Po气溶胶的去除工艺十分重要。
石墨烯(Graphene)是由sp2杂化碳原子连接而成的单原子层、二维平面晶体，其具有高导电性、高导热性、高比表面积和辐照稳定性等优点。然而，二维(Two Dimensional，2D)层状的石墨烯具有很高的表面能，因而易造成团聚，影响材料的应用。三维(Threedimensional，3D)石墨烯是由二维石墨烯单元通过一定的方法组装而形成的一种具有三维多孔结构的材料。其在使用过程中可以有效避免二维石墨烯材料在使用过程中易于团聚的缺点。
目前，在世界范围内，对于LBE快堆中210Po气溶胶去除方面进行可工程化、系统性研究的单位和机构并不多，通过调研汇总，有成形方案的主要包括瑞士Paul ScherrerInstitute、日本东京工业大学等机构。
a.瑞士Paul Scherrer Institute
2011年，瑞士Paul Scherrer Institute的团队采用熔盐苛性钠作为捕捉剂，利用化学吸附法来处理LBE快堆中210Po气溶胶。其优点是可以通过苛性钠的化学固化反应将210Po气溶胶(H2Po)除去；缺点是处理通量小，处理效率低，且新生产的含210Po固化物的熔点不高，存在向环境二次扩散的危险。
b.日本东京工业大学
2008年，日本东京工业大学的团队采用合金网对210Po气溶胶的物理过滤去除做了研究。其优势是成本低，但缺点比较明显：1)物理过滤除去效率不高，处理量不大。2)单一的物理过滤使得210Po气溶胶向周围环境中扩散的风险提高。
发明内容
本发明以氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)为原料，乙二胺、水合肼、氨水、柠檬酸钠等为还原剂，通过水热法制备得到了三维石墨烯材料。研究发现，所制备的三维石墨烯材料具有微孔、介孔和大孔的多层次孔(hierarchical porous)结构。然后，以该三维石墨烯材料为基底材料，通过原位负载稀土基碱性纳米材料，制备出负载型石墨烯基材料。研究发现，所述负载型石墨烯基材料可以用作放射性气溶胶的去除，特别是对LBE快堆中210Po气溶胶的高效吸附去除。
本发明中，充分利用及发挥我国特有的廉价高丰度稀土资源，开发出适用于我国LBE快堆中210Po气溶胶(H2Po)高效、稳定去除的新型吸附材料及设备，为我国铅铋快堆的发展及核安全提供重要的技术和装备支撑。
本发明设计了一种与210Po气溶胶有较高反应活性的稀土基碱性纳米材料，并将其负载在具有辐照稳定性和高比表面积的三维石墨烯材料上。利用同主族Te或Se元素替代Po元素，进行了210Po去除的模拟评测实验。通过模拟评测实验，并考虑反应活性、固化产物的熔点、热稳定性等因素，筛选出了一元/二元/多元稀土基碱性纳米材料的最优成分和配比。
本发明的第一方面是提供一种负载型石墨烯基材料，其包括三维石墨烯材料和负载在其上的稀土基碱性纳米材料。
根据本发明，所述稀土基碱性纳米材料为一元稀土基碱性纳米材料、二元稀土基碱性纳米材料或多元稀土基碱性纳米材料；其中，一元稀土基碱性纳米材料是指仅含单一稀土元素的碱性纳米材料；二元稀土基碱性纳米材料是指包含两种稀土元素的复合碱性纳米材料；多元稀土基碱性纳米材料是指包含多种(大于两种)稀土元素的复合碱性纳米材料，或者是指稀土元素的一种或多种与其他碱金属或碱土金属(如Li，Na，K，Mg等)的一种或多种形成的复合碱性纳米材料。
其中，所述稀土元素选自镧、铈、镨、钕、钐、铕或钆。
根据本发明，所述稀土基碱性纳米材料选自氢氧化镧、氢氧化铈、氢氧化镨、氢氧化钕、氢氧化钐、氢氧化铕、氢氧化钆中的一种或多种的混合物，或者选自氢氧化镧、氢氧化铈、氢氧化镨、氢氧化钕、氢氧化钐、氢氧化铕、氢氧化钆中的一种或多种与氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾、氢氧化镁中的一种或多种形成的混合物。
根据本发明，所述三维石墨烯材料具有一种由二维平面石墨烯通过自组装形成的三维的网状结构，其具有微孔、介孔和大孔的多层次孔结构。
本发明的第二方面是提供一种上述负载型石墨烯基材料中三维石墨烯材料的制备方法，其包括以下步骤：
在氧化石墨烯水溶液中加入一定量的还原剂，加热至一定温度并保温一定时间，即得到所述三维石墨烯材料。
根据本发明，所述还原剂包括乙二胺、氨水、水合肼、柠檬酸钠等中的一种或多种。
根据本发明，所述还原剂的加入量相对于1mg所述氧化石墨烯为1×10-5～5×10- 3mg。
根据本发明，加热至100-140℃(例如110、120、130、140℃等)；保温时间为5-25小时(如5、10、15、20、25小时)。
本发明的第三方面是提供一种上述的负载型石墨烯基材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1.制备或准备稀土硝酸盐溶液，任选地，制备或准备碱金属或碱土金属的硝酸盐溶液；
S2.将步骤S1的稀土硝酸盐溶液中的一种或多种和任选地步骤S1的碱金属或碱土金属硝酸盐溶液中的一种或多种与有机胺(如：正丁胺)混合，并持续搅拌形成均一的混合溶液；
S3.将步骤S2的混合溶液与所述的三维石墨烯材料加入聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热釜中，加热至一定温度并保温一段时间，得到所述负载型石墨烯基材料。
步骤S1中，采用如下方法制备稀土硝酸盐溶液：将稀土氧化物(如氧化镨、氧化钕、氧化钐、氧化钆、氧化镧、氧化铈等中的一种)溶于适量硝酸中，制得稀土硝酸盐溶液。
步骤S1中，也可以采用如下方法准备稀土硝酸盐溶液：以稀土硝酸盐为原料，直接配制其水溶液，即得稀土硝酸盐溶液。
步骤S1中，采用如下方法准备碱金属或碱土金属硝酸盐溶液：以碱金属或碱土金属硝酸盐为原料，直接配制其水溶液，即得碱金属或碱土金属硝酸盐溶液。
步骤S3中，所述三维石墨烯材料采用上述第二方面中提供的方法制备。
步骤S3中，水热反应后，还包括后处理步骤。所述后处理步骤包括：反应结束后自然冷却，产物固液分离，固体产物分别用环己烷和乙醇洗涤至少三次后，然后冷冻干燥(例如-45℃下，＜20Pa)，得到负载型石墨烯基材料。
本发明的第四方面是提供一种LBE快堆中210Po气溶胶的固化去除方法，其采用上述的负载型石墨烯基材料，其中，上述负载型石墨烯基材料中的稀土基碱性纳米材料作为210Po的捕捉固化剂。
所述捕捉固化剂对210Po的固化反应原理如下：
本发明的负载型石墨烯基材料中的稀土基碱性纳米材料可以与含有放射性物质210Po的H2Po、PbPo反应，生成稳定的固态物质实现固化。以RE(OH)3为例(其中，RE表示稀土元素，包括镧、铈、镨、钕、钐、铕或钆)，其反应方程式如下：
3H2Po(g)+2RE(OH)3(s)＝RE2Po3(s)+6H2O(g)
3PbPo(as)+4RE(OH)3(s)＝RE2Po3(s)+RE2(PbO2)3(s)+6H2O(g)
其中RE2Po3(s)和RE2(PbO2)3(s)均为高热稳定性的固态物质。
本发明的第五方面是提供一种LBE快堆中210Po气溶胶去除用装置，其包括一数控化移动床，所述移动床中设置至少一根陶瓷膜管，所述陶瓷膜管中的填料采用上述的负载型石墨烯基材料。
其中，所述移动床中设置至少三根陶瓷膜管；进一步的，设置至少四根陶瓷膜管。
附图说明
图1为负载型石墨烯基材料中的三维石墨烯材料的电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，应理解，在阅读了本发明所记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的范围。
实施例1三维石墨烯材料的制备
取12mL，5mg/mL的氧化石墨烯水溶液置于20mL反应釜中，加入30μg还原剂(包括乙二胺、氨水、水合肼、柠檬酸钠等中的一种)，在120℃下，水热反应10小时，反应结束后，产物洗涤、冷冻干燥后即得到三维石墨烯材料。
从图1可见，通过本实施例的方法，所制备的三维石墨烯材料中富含微孔、介孔和大孔的多层次孔结构，具有较大的比表面积，克服了二维石墨烯容易团聚的缺点，利于吸附反应的进行。
实施例2负载型石墨烯基材料的制备
将稀土氧化物(如氧化镨、氧化钕、氧化钐、氧化钆、氧化镧、氧化铈、氧化铕等中的一种)溶于适量硝酸中，制得所述稀土硝酸盐溶液；或直接采用稀土(镧、铈、镨、钕、钐、铕或钆)硝酸盐加水配制。
将稀土硝酸盐溶液稀释至所需浓度后取出12mL与3mL正丁胺混合，持续搅拌形成均一的混合液。
将所述混合液与实施例1中的三维石墨烯材料一起转入20mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热釜中，将所述水热釜置于烘箱中，180℃反应16小时。反应结束后自然冷却，固液分离后，产物分别用环己烷和乙醇洗涤三次，然后在-45℃，＜20Pa条件下冷冻干燥，即得到负载型石墨烯基材料。
实施例3模拟评测210Po的固化吸附效果
采用Se气溶胶或Te气溶胶模拟LBE快堆中产生的210Po气溶胶，测试本发明的负载型石墨烯基材料对210Po的吸附固化能力。
将实施例2的负载型石墨烯基材料置于Se气溶胶或Te气溶胶中，搅拌，实现所述材料与气溶胶中Se/Te(模拟210Po)的固化反应。
结果表明：实施例2的负载型石墨烯基材料对Se(Te)气溶胶的一次固化去除率大于85％，若采用4级串联，固化去除率大于99％。
固化反应中生成的Se/Te(模拟210Po)稀土基产物的熔点大于700℃。
实施例4 210Po气溶胶去除用装置
本发明还研制了一种210Po气溶胶去除用装置，其包括一数控化移动床，所述移动床中设置至少一根陶瓷膜管，所述陶瓷膜管中的填料采用实施例2的负载型石墨烯基材料。
其中，所述移动床中设置至少四根陶瓷膜管。
该装置可以实现对210Po气溶胶的串级吸附固化，并且数控化可使操作人员远离放射性物质。所述装置的处理量大于5升/分钟，且通量比：Ar(膜通过率％)/H2Po替代用气溶胶>98％/0.8％。尾端Se/Te(模拟210Po)气溶胶的含量较进口端降低2个数量级。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种负载型石墨烯基材料，其特征在于，所述材料包括三维石墨烯材料和负载在其上的稀土基碱性纳米材料。
2.根据权利要求1所述的负载型石墨烯基材料，其特征在于，所述稀土基碱性纳米材料为一元稀土基碱性纳米材料、二元稀土基碱性纳米材料或多元稀土基碱性纳米材料；其中，一元稀土基碱性纳米材料是指仅含单一稀土元素的碱性纳米材料；二元稀土基碱性纳米材料是指包含两种稀土元素的复合碱性纳米材料；多元稀土基碱性纳米材料是指包含多种(大于两种)稀土元素的复合碱性纳米材料，或者是指稀土元素的一种或多种与其他碱金属或碱土金属(如Li，Na，K，Mg等)的一种或多种形成的复合碱性纳米材料。
优选地，所述稀土元素选自镧、铈、镨、钕、钐、铕或钆。
优选地，所述稀土基碱性纳米材料为氢氧化镧、氢氧化铈、氢氧化镨、氢氧化钕、氢氧化钐、氢氧化铕、氢氧化钆中的一种或多种的混合物，或者为氢氧化镧、氢氧化铈、氢氧化镨、氢氧化钕、氢氧化钐、氢氧化铕、氢氧化钆中的一种或多种与氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾、氢氧化镁中的一种或多种的混合物。
3.根据权利要求1或2所述的负载型石墨烯基材料，其特征在于，所述三维石墨烯材料具有一种由二维平面石墨烯通过自组装形成的三维的网状结构，其具有微孔、介孔和大孔的多层次孔结构。
4.一种权利要求1-3任一项所述的负载型石墨烯基材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1.制备或准备稀土硝酸盐溶液，任选地，制备或准备碱金属或碱土金属的硝酸盐溶液；
S2.将步骤S1的稀土硝酸盐溶液中的一种或多种和任选地步骤S1的碱金属或碱土金属硝酸盐溶液中的一种或多种与有机胺(如：正丁胺)混合，并持续搅拌形成均一的混合溶液；
S3.将步骤S2的混合溶液与三维石墨烯材料加入聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热釜中，加热至一定温度并保温一段时间，得到所述负载型石墨烯基材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，采用如下方法制备稀土硝酸盐溶液：将稀土氧化物(如氧化镨、氧化钕、氧化钐、氧化钆、氧化镧、氧化铈等中的一种)溶于适量硝酸中，制得稀土硝酸盐溶液；或者，
也可以采用如下方法制备稀土硝酸盐溶液：以稀土硝酸盐为原料，直接配制其水溶液，即得稀土硝酸盐溶液。
优选地，步骤S1中，采用如下方法准备碱金属或碱土金属硝酸盐溶液：以碱金属或碱土金属硝酸盐为原料，直接配制其水溶液，即得碱金属或碱土金属硝酸盐溶液。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述三维石墨烯材料通过包括以下步骤的方法制备：在氧化石墨烯水溶液中加入一定量的还原剂，加热至一定温度并保温一定时间，即得到所述三维石墨烯材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂为乙二胺、氨水、水合肼、柠檬酸钠等中的一种或多种。
优选地，所述还原剂的加入量相对于1mg所述氧化石墨烯为1×10-5～5×10-3mg。
还优选地，加热至100-140℃(例如110、120、130、140℃等)；保温时间为5-25小时(如5、10、15、20、25小时)。
8.根据权利要求4-7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，水热反应后，还包括后处理步骤。
优选地，所述后处理步骤包括：反应结束后自然冷却，产物固液分离，固体产物分别用环己烷和乙醇洗涤至少三次后，然后冷冻干燥(例如-45℃下，＜20Pa)，得到负载型石墨烯基材料。
9.一种LBE快堆中210Po气溶胶中的210Po的固化去除方法，其特征在于，所述方法使用权利要求1-3任一项所述的负载型石墨烯基材料，其中，上述负载型石墨烯基材料中的稀土基碱性纳米材料作为210Po的捕捉固化剂。
10.一种LBE快堆中210Po气溶胶去除用装置，其特征在于，所述装置包括一数控化移动床，所述移动床中设置至少一根陶瓷膜管，所述陶瓷膜管中的填料采用权利要求1-3任一项所述的负载型石墨烯基材料。
优选地，所述移动床中设置至少三根陶瓷膜管；还优选地，设置至少四根陶瓷膜管。
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