CN109954484A - 介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料及制备方法 - Google Patents

介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料及制备方法,包括如下方法:步骤一:将聚丙烯腈与制孔剂溶解于溶剂后制成聚丙烯腈溶液,将聚丙烯腈溶液通过负压渗透法涂覆于介孔硅胶颗粒表面,经分相、干燥后制成表面负载聚丙烯腈的介孔硅胶颗粒;步骤二:将步骤一所制备的介孔硅胶颗粒置于盐酸羟胺溶液中密封,进行偕胺肟化反应,反应结束后将反应物洗涤并干燥后得到介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料。本发明制备的介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物铀吸附材料具有较为规则的多孔结构、较大的比表面积和较好的结构稳定性,可有效吸附水中的铀酰离子。该材料制备工艺简单、成本低廉,可实现规模生产,具有广阔应用前景。

Description

介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种铀吸附材料及制备方法,尤其涉及一种介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料及制备方法,属于吸附材料、水处理及核化工领域。
背景技术
铀是重要的核燃料资源,在整个核燃料循环以及乏燃料后处理过程中都无可避免地会产生大量的含铀废水。大规模的含铀核废液如果得不到有效治理,其带来的辐射和化学毒性将会对地球生物和人类环境构成巨大的潜在威胁。能否高效的去除核废液中的铀,关系到核能是否可持续发展。
目前,处理溶液中铀的方法主要有化学沉淀法、离子交换法、溶剂萃取法、膜分离法,生物富集法,浮选法,超导磁分离法等,但这些处理方法普遍存在成本较高,操作复杂,易产生二次污染,且重复利用率低等问题。鉴于此,吸附技术由于其具有操作便捷、成本低廉、处理效率高、选择性好等优点,被认为是从含铀废水中去除放射性铀元素最有应用前景的方法之一。
近几年在吸附剂的开发过程中,复合材料吸附剂表现出了其独特的优势。理想的吸附剂需要具备大的吸附容量,快的吸附和解吸速率,高的吸附选择性和循环性能,以及优良的机械强度和化学稳定性。单一物质构成的材料往往很难同时满足这些要求,因此开发多种物质相结合的复合材料吸附剂成为了一种新的解决方案。
在复合材料吸附剂中,载体的选择尤为重要。无机载体材料由于吸附速率快、吸附选择性强、无溶胀现象以及机械稳定性好等优点,在近几年的研究中逐渐取代有机聚合物载体材料。其中,介孔二氧化硅具有大的比表面积,均一可调的孔径以及良好的热力学稳定性和化学稳定性等优点,使其从众多无机载体材料中凸显出来。在众多功能基团中,氰基经过偕胺肟化反应得到的偕胺肟官能团,由于具备对铀的特殊络合能力,被广泛用于修饰多种多样的基体材料。因此,介孔二氧化硅的改性成为当前的研究热点,通常采用后接枝法或共缩聚法实现在介孔硅胶颗粒表面接枝氰基。但采用后接枝法合成时,接枝上的有机基团密度较低、分布不均匀,影响材料的使用性能;共缩聚法虽然在一定程度上缓解后接枝法存在的问题,但是当接枝的有机基团含量过多时,就容易使材料的结构遭到破坏,不利于其后期使用。同时,上述方法均存在接枝率难以稳定控制,成本较高,难以规模生产等缺陷。因此,兼顾有机基团的接入量与载体材料的结构稳定性,寻找到一种高效稳定、性能优良且低成本的复合材料吸附剂势在必行。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种可有效吸附水中的铀酰离子的介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料及制备方法。
本发明的目的是这样实现的:
一种介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料,在介孔硅胶颗粒表面负载偕胺肟聚合物;其中介孔硅胶颗粒与偕胺肟聚合物质量比为5:1-20:1;介孔硅胶颗粒孔径为5-50nm;偕胺肟聚合物结构特征为:
其中偕胺肟基团含量为30-50%质量份数,n的取值在100-2000范围内。
一种介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料的制备方法,包括如下方法:
步骤一:将聚丙烯腈与制孔剂溶解于溶剂后制成聚丙烯腈溶液,将聚丙烯腈溶液通过负压渗透法涂覆于介孔硅胶颗粒表面,经分相、干燥后制成表面负载聚丙烯腈的介孔硅胶颗粒;
步骤二:将步骤一所制备的介孔硅胶颗粒置于盐酸羟胺溶液中密封,进行偕胺肟化反应,反应结束后将反应物洗涤并干燥后得到介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料。
本发明还包括这样一些特征:
1.其特征是,所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、硫氰酸钠水溶液中的一种;所用聚丙烯腈的相对分子量为5000-100000;聚丙烯腈溶液中聚丙烯腈含量为10~200克/升;加入的制孔剂为氯化锂、氯化铵、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇中的一种,聚丙烯腈与制孔剂的质量比为15:1~15:20;
2.所述的负压渗透方法为:将介孔硅胶颗粒与聚丙烯腈溶液置于容器中,经充分搅拌后抽出容器中气体,真空度为-10至-100KPa;所述分相、干燥具体为:将经过负压渗透方法处理过的介孔硅胶颗粒与聚丙烯腈溶液混合物置于水或乙醇中剧烈搅拌1-2小时,搅拌转速为5000-15000转/分,之后将颗粒物滤出后置于烘箱中干燥;
3.所述聚丙烯腈的氰基官能团与盐酸羟胺的摩尔比为1:0.1~1:5;
4.所述盐酸羟胺溶液为盐酸羟胺与碱性化合物溶解于甲醇或水中制备而成,所述碱性化合物为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种;加入碱性化合物与盐酸羟胺的摩尔比为1:1-1:2;所述盐酸羟胺溶液中盐酸羟胺含量为10-40克/升;
5.所述偕胺肟化反应的温度为25~80℃,反应时间为2-200小时。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明制备的介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物铀吸附材料具有较为规则的多孔结构、较大的比表面积和较好的结构稳定性,可有效吸附水中的铀酰离子。该材料制备工艺简单、成本低廉,可实现规模生产,具有广阔应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1所得介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物铀吸附材料扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
一种用于吸附水中铀酰离子的介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物铀吸附材料,在介孔硅胶颗粒表面负载偕胺肟聚合物;其中介孔硅胶颗粒与偕胺肟聚合物质量比为5:1-20:1;介孔硅胶颗粒孔径为5-50nm,硅胶颗粒颗粒粒径为20~100目;偕胺肟聚合物为含有偕胺肟基团的烯烃聚合物,其特征结构为:
聚合物中偕胺肟基团所占质量分数30-70%;n的取值在100-2000范围内。
一种用于吸附水中铀酰离子的介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物铀吸附材料的制备方法,包括以下步骤:将聚丙烯腈溶解于溶剂后制成聚丙烯腈溶液,将该溶液通过负压渗透法涂覆于介孔硅胶颗粒颗粒表面,经分相、干燥后制成表面负载聚丙烯腈的介孔硅胶颗粒。将所制备的表面负载聚丙烯腈的介孔硅胶颗粒颗粒置于盐酸羟胺溶液中在一定温度下反应后,制得介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物铀吸附材料;溶解聚丙烯腈所用溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、硫氰酸钠水溶液中的一种;所用聚丙烯腈的相对分子量为5000-100000,其中氰基官能团所占质量分数20-50%;聚丙烯腈溶液中聚丙烯腈含量为10~200克/升;加入的制孔剂为氯化锂、氯化铵、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、中的一种,聚丙烯腈与制孔剂的质量比为15:1~15:20;负压渗透方法为:将介孔硅胶颗粒与聚丙烯腈溶液置于容器中,经充分搅拌后,使用真空泵抽出容器中气体,真空度为-10至-100KPa;分相及干燥方法为:将制备的混合物置于水或乙醇中并剧烈搅拌1-2小时,搅拌转速为5000-15000转/分,之后将颗粒物滤出后置于烘箱中干燥,将盐酸羟胺与一定量的碱性化合物溶解于溶剂中制成盐酸羟胺溶液,上述溶剂为甲醇或水或任意比例甲醇-水混合物。所制备的表面负载聚丙烯腈的介孔硅胶颗粒置于上述盐酸羟胺溶液中,密封后进行偕胺肟化反应。反应结束后,将反应物中固形物滤出并用蒸馏水洗净后,置于烘箱中干燥24h,制成介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物铀吸附材料,所使用聚丙烯腈的氰基官能团与盐酸羟胺的摩尔比为1:0.1~1:5;所配制盐酸羟胺溶液中盐酸羟胺含量为10-40克/升;碱性化合物为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种;加入碱性化合物与盐酸羟胺的摩尔比为1:1-1:2;其中偕胺肟化反应条件为反应温度为25~80℃,反应时间为2-200小时;介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物材料用于吸附水中铀酰离子的用途。
实施例1:
第一步:称取100g聚丙烯腈粉末和26g氯化锂颗粒加入到1L烧杯中,再向其中加入600mL N,N-二甲基甲酰胺并搅拌至完全溶解。取52g上述聚丙烯腈溶液加入到30g 50目介孔硅胶颗粒中,搅拌均匀后进行减压脱泡。将上述脱泡后的混合物倒入装有搅拌器和500mL水的三口瓶中,并在3000转/分搅拌下搅拌2h。之后,将固体滤出并于烘箱中干燥24h,制得表面涂覆聚丙烯腈的介孔硅胶颗粒。
第二步:向盛有10g盐酸羟胺和8g碳酸钠的1L锥形瓶中加入500mL体积比为1:1的甲醇-水,并于室温下搅拌至完全溶解。将50g第一步中所制备表面涂覆聚丙烯腈的介孔硅胶颗粒投入上述锥形瓶中,密封后将锥形瓶置于55℃水浴中搅拌反应7天。反应结束后降至室温,使用布氏漏斗将锥形瓶中固体滤出并用蒸馏水洗涤三次后,将所得固形物在烘箱中干燥24h后制得淡黄色介孔硅胶负载偕胺肟聚合物铀吸附颗粒材料。经BET法测比表面积为361.08m2/g。
第三步:称取已制备的介孔硅胶负载偕胺肟聚合物铀吸附颗粒30mg加入到盛有50mL硝酸铀酰水溶液的250mL锥形瓶中,硝酸铀酰浓度为100ppm。将该锥形瓶置于气浴恒温振荡器中,并在室温下振荡吸附6小时,测定溶液中铀酰离子浓度并计算上述材料的铀酰离子吸附容量为107mg/g。
实施例2:
第一步:称取100g聚丙烯腈粉末和26g聚乙烯基吡咯烷酮加入到1L烧杯中,再向其中加入600mL二甲基亚砜并搅拌至完全溶解。取52g上述聚丙烯腈溶液加入到30g 50目介孔硅胶颗粒中,搅拌均匀后进行减压脱泡。将上述脱泡后的混合物倒入装有搅拌器和500mL水的三口瓶中,并在3000转/分搅拌下搅拌2h。之后,将固体滤出并于烘箱中干燥24h,制得表面涂覆聚丙烯腈的介孔硅胶颗粒。
第二步:向盛有10g盐酸羟胺和8g碳酸钠的1L锥形瓶中加入500mL体积比为1:1的甲醇-水,并于室温下搅拌至完全溶解。将55g第一步中所制备表面涂覆聚丙烯腈的介孔硅胶颗粒投入上述锥形瓶中,密封后将锥形瓶置于55℃水浴中搅拌反应72小时。反应结束后降至室温,使用布氏漏斗将锥形瓶中固体滤出并用蒸馏水洗涤三次后,将所得固形物在烘箱中干燥24h后制得介孔硅胶负载偕胺肟聚合物铀吸附颗粒材料。经BET法测比表面积为294.40m2/g。
第三步:称取已制备的介孔硅胶负载偕胺肟聚合物铀吸附颗粒30mg加入到盛有50mL硝酸铀酰水溶液的250mL锥形瓶中,硝酸铀酰浓度为100ppm。将该锥形瓶置于气浴恒温振荡器中,并在室温下振荡吸附6小时,测定溶液中铀酰离子浓度并计算上述材料的铀酰离子吸附容量为87mg/g。
实施例3:
第一步:称取75g聚丙烯腈粉末和30g氯化铵加入到1L烧杯中,再向其中加入450mL二甲基亚砜并搅拌至完全溶解。取40g上述聚丙烯腈溶液加入到30g 50目介孔硅胶颗粒中,搅拌均匀后进行减压脱泡。将上述脱泡后的混合物倒入装有搅拌器和500mL水的三口瓶中,并在3000转/分搅拌下搅拌2h。之后,将固体滤出并于烘箱中干燥24h,制得表面涂覆聚丙烯腈的介孔硅胶颗粒。
第二步:向盛有10g盐酸羟胺和8g碳酸钠的1L锥形瓶中加入500mL体积比为1:1的甲醇-水,并于室温下搅拌至完全溶解。将50g第一步中所制备表面涂覆聚丙烯腈的介孔硅胶颗粒投入上述锥形瓶中,密封后将锥形瓶置于55℃水浴中搅拌反应5小时。反应结束后降至室温,使用布氏漏斗将锥形瓶中固体滤出并用蒸馏水洗涤三次后,将所得固形物在烘箱中干燥24h后制得介孔硅胶负载偕胺肟聚合物铀吸附颗粒材料。经BET法测比表面积为111.56m2/g。
第三步:称取已制备的介孔硅胶负载偕胺肟聚合物铀吸附颗粒30mg加入到盛有50mL硝酸铀酰水溶液的250mL锥形瓶中,硝酸铀酰浓度为100ppm。将该锥形瓶置于气浴恒温振荡器中,并在室温下振荡吸附6小时,测定溶液中铀酰离子浓度并计算上述材料的铀酰离子吸附容量为48mg/g。
综上所述,本发明提供了一种介孔硅胶颗粒表面负载偕胺肟聚合物的铀吸附颗粒材料及其制备方法,包括以下步骤:通过负压渗透将含有致孔剂的聚丙烯腈溶液涂敷于介孔硅胶颗粒表面,经相分离及干燥制备出介孔硅胶负载聚丙烯腈复合颗粒材料;将该材料置于盐酸羟胺溶液中反应后将硅胶颗粒表面聚丙烯腈转化为偕胺肟聚合物从而制成介孔硅胶负载偕胺肟聚合物铀吸附颗粒材料,并应用于水中铀酰离子的吸附。本发明制备的介孔硅胶负载偕胺肟聚合物铀吸附颗粒对水中铀酰离子有着较好的吸附性能,制备工艺简单、成本低廉,在铀提取、含铀废水处理等领域有着十分广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料,其特征是,在介孔硅胶颗粒表面负载偕胺肟聚合物;其中介孔硅胶颗粒与偕胺肟聚合物质量比为5:1-20:1;介孔硅胶颗粒孔径为5-50nm;偕胺肟聚合物结构特征为:
其中偕胺肟基团含量为30-50%质量份数,n的取值在100-2000范围内。
2.一种介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料的制备方法,其特征是,包括如下方法:
步骤一:将聚丙烯腈与制孔剂溶解于溶剂后制成聚丙烯腈溶液,将聚丙烯腈溶液通过负压渗透法涂覆于介孔硅胶颗粒表面,经分相、干燥后制成表面负载聚丙烯腈的介孔硅胶颗粒;
步骤二:将步骤一所制备的介孔硅胶颗粒置于盐酸羟胺溶液中密封,进行偕胺肟化反应,反应结束后将反应物洗涤并干燥后得到介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料。
3.根据权利要求2所述的介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料的制备方法,其特征是,所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、硫氰酸钠水溶液中的一种;所用聚丙烯腈的相对分子量为5000-100000;聚丙烯腈溶液中聚丙烯腈含量为10~200克/升;加入的制孔剂为氯化锂、氯化铵、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇中的一种,聚丙烯腈与制孔剂的质量比为15:1~15:20。
4.根据权利要求2或3所述的介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料的制备方法,其特征是,所述的负压渗透方法为:将介孔硅胶颗粒与聚丙烯腈溶液置于容器中,经充分搅拌后抽出容器中气体,真空度为-10至-100KPa;所述分相、干燥具体为:将经过负压渗透方法处理过的介孔硅胶颗粒与聚丙烯腈溶液混合物置于水或乙醇中剧烈搅拌1-2小时,搅拌转速为5000-15000转/分,之后将颗粒物滤出后置于烘箱中干燥。
5.根据权利要求2或3所述的介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料的制备方法,其特征是,所述聚丙烯腈的氰基官能团与盐酸羟胺的摩尔比为1:0.1~1:5。
6.根据权利要求5所述的介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料的制备方法,其特征是,所述聚丙烯腈的氰基官能团与盐酸羟胺的摩尔比为1:0.1~1:5。
7.根据权利要求2或3所述的介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料的制备方法,其特征是,所述盐酸羟胺溶液为盐酸羟胺与碱性化合物溶解于甲醇或水中制备而成,所述碱性化合物为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种;加入碱性化合物与盐酸羟胺的摩尔比为1:1-1:2;所述盐酸羟胺溶液中盐酸羟胺含量为10-40克/升。
8.根据权利要求4所述的介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料的制备方法,其特征是,所述盐酸羟胺溶液为盐酸羟胺与碱性化合物溶解于甲醇或水中制备而成,所述碱性化合物为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种;加入碱性化合物与盐酸羟胺的摩尔比为1:1-1:2;所述盐酸羟胺溶液中盐酸羟胺含量为10-40克/升。
9.根据权利要求2或3所述的介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料的制备方法,其特征是,所述偕胺肟化反应的温度为25~80℃,反应时间为2-200小时。
10.根据权利要求4所述的介孔硅胶颗粒负载偕胺肟聚合物的铀吸附材料的制备方法,其特征是,所述偕胺肟化反应的温度为25~80℃,反应时间为2-200小时。
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