CN114316283B - 一种有机膦酸钛晶态多孔材料及其制备方法和过滤柱应用 - Google Patents
一种有机膦酸钛晶态多孔材料及其制备方法和过滤柱应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种有机膦酸钛晶态多孔材料及其制备方法和过滤柱应用。制备的有机膦酸钛晶态多孔材料利用离子热法合成,制备方法具体包括:将有机膦酸配体与钛盐和离子液体混合后放入反应釜中,加入氢氟酸溶液,加热反应后,进行洗涤和干燥获得所述产物;本发明制备的材料化学性质稳定,特别是在酸性条件下稳定,易于在酸性条件下对铀酰进行吸附,在核工业中乏燃料的后处理发展中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于材料制备领域,具体涉及一种有机膦酸钛晶态多孔材料及其制备方法和过滤柱应用。
背景技术
金属有机框架材料(MOFs)通过金属节点或者金属团簇与有机配体通过自组装相连构成二维或三维多孔晶态材料。由于其具有内部孔隙以及配体易后修饰等特点,金属有机框架材料在众多研究领域表现出已有或者潜在的应用前景,特别是在吸附领域中,由于该类材料合成路径短、稳定性高而受到广泛关注。
金属有机框架材料的合成方法有很多,目前主要以水热法为主,通过将配体和金属盐按照一定摩尔比加入至反应釜中,水作为中间媒介,部分晶态多孔材料需加一定量的酸作为矿化剂,在一定温度下进行高温高压反应,获得晶态材料。Christian Serre等人通过水热法成功地合成出膦酸钛晶体MIL-91。该合成方法通过使用四氯化钛与浓盐酸反应生成TiO2·H2O,再进一步通过水热法合成一维链状无机单元晶态多孔材料。然而,一方面由于作为钛源的四氯化钛价格过高,另一方面,由于钛遇水之后易发生水解作用,导致该方法不具有普适性。Gerard等人使用溶剂热法成功地合成羧酸钛晶体MIL-125。该合成方法通过将有机配体和异丙醇钛混合,合成出第一例羧酸钛晶态多孔材料,同时加入的有机溶剂可以有效的避免钛的水解。然而,该方法使用的有机溶剂具有毒性,不适合批量生产。
另外,随着核能的快速发展,同时不可避免地造成大量放射性核素释放到环境中,给环境和人类健康造成重大危害。其中乏燃料后处理中如何处理238U长寿命放射性核素是关键,在过去的几十年中,有吸附法、电渗析法、化学沉淀法、蒸发回收、萃取法等应用于放射性废水中核素的高效去除,吸附法由于操作简单、成本低、可以大规模使用等优点得到了广泛的应用。目前的吸附材料比如氧化物、纳米零价铁、活性炭、羧酸类金属框架材料已经被广泛应用于放射性核素的高效去除,但是目前这些材料都无法在酸性条件下对铀酰进行吸附,导致在吸附前需要使用大量的碱性溶液对铀酰废液进行中合,这无疑给乏燃料的后处理过程带来了多余的能耗和资源的浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过离子热法合成有机膦酸钛晶态多孔材料的制备方法,同时为膦酸钛晶态多孔材料合成领域提供一种新的思路。
本发明的另一目的在于提供一种有机膦酸钛晶态多孔材料在酸性条件下对铀酰吸附的应用,可将该有机膦酸钛晶态多孔材料作为吸附柱的填充材料,对于酸性条件下对铀酰进行吸附。
一种有机膦酸钛晶态多孔材料的制备方法,所述方法具体包括以下步骤:
(1)将有机膦酸配体加入至反应釜中;
(2)将钛盐加入至反应釜中
(3)将适量的离子液体加入至反应釜内;
(4)加入适量的氢氟酸溶液;
(5)将上述混合物进行加热反应;
(6)充分洗涤去除絮状物,室温下干燥,获得产品。
进一步的,步骤(1)中所述的配体为1,3,5,7-四(4-膦酰基苯基)金刚烷,钛盐为硫酸氧钛-硫酸水合物,1,3,5,7-四(4-膦酰基苯基)金刚烷与硫酸氧钛-硫酸水合物按照摩尔比1:2.5的比例添加。
进一步的,步骤(3)中所述的离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑溴盐,1,3,5,7-四(4-膦酰基苯基)金刚烷与1-乙基-3-甲基咪唑溴盐按照摩尔比1:40至1:80的比例添加,优选的情况下,加入的量的摩尔比按照1:40。
进一步的,步骤(5)中所述的氢氟酸溶液为质量分数为37%-40%,1,3,5,7-四(4-膦酰基苯基)金刚烷与氢氟酸溶液按照固液比1:2的比例添加。
进一步的,步骤(5)中所述的加热温度为梯度加热。温度从25℃加热到160℃,需1天,保持160℃需3天,从160℃降温至25℃需1天。
进一步的,步骤(6)中所述的充分洗涤为95%的无水乙醇和纯水交替洗涤2-3次,直至无絮状物出现,上清液澄清,随后吸取上清液,室温下干燥样品。
本发明提供一种有机膦酸钛晶态多孔材料,有机膦酸钛晶态多孔材料通过上述的有机膦酸钛晶态多孔材料制备方法制备。
本发明提供一种有机膦酸钛晶态多孔材料,膦酸钛晶态多孔材料通过配体上有机膦酸配体末端基团的氧作为配位点,与钛离子相互配位,在空间立体构型上呈三维结构,合成后的该材料不溶于水和有机溶剂以及强酸,分子式为[EMlm]2[Ti3.5(TppaH)F9]2·23H2O。
本发明提供一种有机膦酸钛晶态多孔材料的应用,具体为有机膦酸钛晶态多孔材料对于铀酰吸附的应用。
进一步的,铀酰吸附时,可以在在pH=1或1M HNO3的酸性条件下。
本发明提供一种过滤柱,过滤柱至少包含一个功能部分中具有上述的有机膦酸钛晶态多孔材料。
进一步的,功能部分为过滤柱的主体填充部分。
本发明具有以下优点:一是操作简单,均可在室温下进行操作,无需多余条件;二是采用离子热的合成方法,一方面有效避免钛的水解,同时另一方面可以有效的溶解硫酸氧钛进而为其提供了反应环境;三是整个过程对环境的危害小,即使有作为矿化剂的氢氟酸存在,但其浓度低、含量少,故材料整体毒性偏小。另外采用离子热法合成有机膦酸钛晶态多孔材料的酸稳定性好,可以将其作为填充材料装入填充柱中应用于酸性条件下铀酰的吸附。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明的利用离子热法合成的有机膦酸钛晶态多孔材料制备方法流程图。
图2为根据本发明的利用离子热法合成的有机膦酸钛晶态多孔材料单晶结构图。
图3为根据本发明的实施例1中得到的有机膦酸钛晶态多孔材料的扫描电子显微镜图。
图4为根据本发明的利用离子热法合成的有机膦酸钛晶态多孔材料理论模拟X射线粉末衍射图。
图5为根据本发明的实施例1得到产物的X射线粉末衍射对比图。
图6为根据本发明的实施例2得到产物的X射线粉末衍射对比图。
图7为根据本发明的实施例3得到产物的X射线粉末衍射对比图。
图8为根据本发明的实施例5得到产物的X射线粉末衍射对比图。
图9为根据本发明的实施例6得到产物的X射线粉末衍射对比图。
图10为根据本发明的实施例7得到产物的X射线粉末衍射对比图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述。本领域技术人员将理解,以下实施例仅为本发明的优选实施例,以便于更好地理解本发明,因而不应视为限定本发明的范围。对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换或改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。下述实施例中的实验方法,如无特殊说明,均为常规方法;所用的实验材料,如无特殊说明,均为自常规生化试剂厂商购买得到的。
以下实施例中电镜图采用FEI Quanta 250F场发射环境扫描电镜(Quant250FEG);X射线衍射图谱由粉末X射线衍射仪(Bruker-AXS D8 Advance)提供。
如图1所示,根据本发明的利用离子热法合成的有机膦酸钛晶态多孔材料制备方法包括:
步骤一:将有机膦酸配体加入至反应釜中;
步骤二:将钛盐加入至反应釜中;
步骤三:将离子液体加入至反应釜中;
步骤四:滴加氢氟酸溶液至反应釜中;
步骤五:将反应釜放置于烘箱加热,进行离子热法结晶;
步骤六:使用乙醇和纯水进行反应洗涤,室温下干燥,获得产品。
实施例一
本发明一种有机膦酸钛晶态多孔材料的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
步骤一:称量1,3,5,7-四(4-膦酰基苯基)金刚烷(TppaH8)(0.038g,0.050mmol)加入到15ml反应釜中;
步骤二:称量0.088g硫酸氧钛-硫酸水合物(TiOSO4·XH2SO4·XH2O)(0.125mmol)加入到反应釜中;
步骤三:称量1-乙基-3-甲基咪唑溴盐(0.3822g,2.000mmol)加入到反应釜中;
步骤四:用移液枪移取0.1ml的氢氟酸溶液至反应釜中;
步骤五:将反应釜放入烘箱,从25℃升温至160℃反应1天,160℃反应3天,160℃降温至25℃反应1天,总计需反应5天时间;
步骤六:用乙醇和纯水交替洗涤样品2-3次,至上清液澄清为止,最后吸出上清液,将样品在室温下干燥,最终得到白色粉末状固体。
实验结果表明,如图5所示的X射线衍射谱图显示为该材料的X射线特征衍射峰,与理论模拟X射线出峰位置一致,表明使用该方法可以成功获得有机膦酸钛多孔材料。
实施例二
本发明一种有机膦酸钛晶态多孔材料的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
步骤一:称量1,3,5,7-四(4-膦酰基苯基)金刚烷(TppaH8)(0.076g,0.1mmol)加入到15ml反应釜中;
步骤二:称量0.088g硫酸氧钛-硫酸水合物(TiOSO4·XH2SO4·XH2O)(0.125mmol)加入到反应釜中;
步骤三:称量1-乙基-3-甲基咪唑溴盐(0.3822g,2.000mmol)加入到反应釜中;
步骤四:用移液枪移取0.1ml的氢氟酸溶液至反应釜中;
步骤五:将反应釜放入烘箱,从25℃升温至160℃反应1天,160℃反应3天,160℃降温至25℃反应1天,总计需反应5天时间;
步骤六:用乙醇和纯水交替洗涤样品2-3次,至上清液澄清为止,最后吸出上清液,将样品在室温下干燥,最终得到白色粉末状固体。
实验结果表明,如图6所示的X射线衍射谱图显示为该材料的X射线特征衍射峰,与理论模拟X射线出峰位置一致,表明当配体为原始配体的两倍量也可以成功获得有机膦酸钛多孔材料,但出于经济成本考虑,该实施例不予采用。
实施例三
本发明一种有机膦酸钛晶态多孔材料的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
步骤一:称量1,3,5,7-四(4-膦酰基苯基)金刚烷(TppaH8)(0.038g,0.050mmol)加入到15ml反应釜中;
步骤二:称量0.080g硫酸钛(Ti(SO4)2)(0.125mmol)加入到反应釜中;
步骤三:称量1-乙基-3-甲基咪唑溴盐(0.3822g,2.000mmol)加入到反应釜中;
步骤四:用移液枪移取0.1ml的氢氟酸溶液至反应釜中;
步骤五:将反应釜放入烘箱,从25℃至160℃反应1天,160℃反应3天,160℃降温至25℃反应1天,总计需反应5天时间;
步骤六:用乙醇和纯水交替洗涤样品2-3次,至上清液澄清为止,最后吸出上清液,将样品在室温下干燥,最终得到白色粉末状固体。
实验结果表明,如图7所示的X射线衍射谱图显示为该材料的X射线特征衍射峰,与理论模拟X射线出峰位置不一致,表明使用硫酸钛代替硫酸氧钛作为钛源在反应时容易水解,导致无法获得目标产物。
实施例四
本发明一种有机膦酸钛晶态多孔材料的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
步骤一:称量1,3,5,7-四(4-膦酰基苯基)金刚烷(TppaH8)(0.038g,0.050mmol)加入到15ml反应釜中;
步骤二:用移液枪移取2ml四氯化钛(TiCl4)加入到反应釜中;
步骤三:称量1-乙基-3-甲基咪唑溴盐(0.3822g,2.000mmol)加入到反应釜中;
步骤四:用移液枪移取0.1ml的氢氟酸溶液至反应釜中;
步骤五:将反应釜放入烘箱,从25℃至160℃反应1天,160℃反应3天,160℃降温至25℃反应1天,总计需反应5天时间;
步骤六:用乙醇和纯水交替洗涤样品2-3次,至上清液澄清为止,最后吸出上清液,将样品在室温下干燥,最终得到白色粉末状固体。
实验结果表明,使用四氯化钛代替硫酸氧钛作为钛源获得的样品无法扫出XRD图谱,这是由于四氯化钛在添加的时候容易与空气中的水结合形成二氧化钛,导致该方法无法获得目标产物。
实施例五
本发明一种有机膦酸钛晶态多孔材料的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
步骤一:称量1,3,5,7-四(4-膦酰基苯基)金刚烷(TppaH8)(0.038g,0.050mmol)加入到15ml反应釜中;
步骤二:用移液枪移取2ml异丙醇钛(Ti(OCH(CH3)2)4)加入到反应釜中;
步骤三:称量1-乙基-3-甲基咪唑溴盐(0.3822g,2.000mmol)加入到反应釜中;
步骤四:用移液枪移取0.1ml的氢氟酸溶液至反应釜中;
步骤五:将反应釜放入烘箱,从25℃至160℃反应1天,160℃反应3天,160℃降温至25℃反应1天,总计需反应5天时间;
步骤六:用乙醇和纯水交替洗涤样品2-3次,至上清液澄清为止,最后吸出上清液,将样品在室温下干燥,最终得到白色粉末状固体。
实验结果表明,如图8所示的X射线衍射谱图显示为该材料的X射线特征衍射峰,与理论模拟X射线出峰位置不一致,表明使用异丙醇钛代替硫酸氧钛作为钛源同样因为钛容易在反应前水解从而导致无法获得目标产物。
实施例六
本发明一种有机膦酸钛晶态多孔材料的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
步骤一:称量1,3,5,7-四(4-膦酰基苯基)金刚烷(TppaH8)(0.038g,0.050mmol)加入到15ml反应釜中;
步骤二:称量0.088g硫酸氧钛-硫酸水合物(TiOSO4·XH2SO4·XH2O)(0.125mmol)加入到反应釜中;
步骤三:用移液枪移取2ml的DMF溶液至反应釜中
步骤四:用移液枪移取0.1ml的氢氟酸溶液至反应釜中;
步骤五:将反应釜放入烘箱,从25℃至160℃反应1天,160℃反应3天,160℃降温至25℃反应1天,总计需反应5天时间;
步骤六:用乙醇和纯水交替洗涤样品2-3次,至上清液澄清为止,最后吸出上清液,将样品在室温下干燥,最终得到白色粉末状固体。
实验结果表明,如图9所示的X射线衍射谱图显示为该材料的X射线特征衍射峰,与理论模拟X射线出峰位置不一致,表明使用DMF作为溶剂热代替离子热法容易使得钛离子在反应过程中水解,从而导致该方法无法获得目标产物。
实施例七
本发明一种有机膦酸钛晶态多孔材料的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
步骤一:称量1,3,5,7-四(4-膦酰基苯基)金刚烷(TppaH8)(0.038g,0.050mmol)加入到15ml反应釜中;
步骤二:称量0.088g硫酸氧钛-硫酸水合物(TiOSO4·XH2SO4·XH2O)(0.125mmol)加入到反应釜中;
步骤三:用移液枪移取2ml的纯水至反应釜中
步骤四:用移液枪移取0.1ml的氢氟酸溶液至反应釜中;
步骤五:将反应釜放入烘箱,从25℃至160℃反应1天,160℃反应3天,160℃降温至25℃反应1天,总计需反应5天时间;
步骤六:用乙醇和纯水交替洗涤样品2-3次,至上清液澄清为止,最后吸出上清液,将样品在室温下干燥,最终得到白色粉末状固体。
实验结果表明,如图10所示的X射线衍射谱图显示为该材料的X射线特征衍射峰,与理论模拟X射线出峰位置不一致,表明使用纯水作为水热发代替离子热法容易使得钛离子在反应过程中水解,从而导致该方法无法获得目标产物。
综上所述,通过对比实施例一和实施例二,表明有机膦酸配体与钛盐的比例位于1-2:2.5之间皆可获得目标产物,基于经济成本的考虑,优选实施例一中的配体与钛盐的比例,通过对比实施例一与实施例三、四、五可知,为了获得目标产物,只有硫酸氧钛(TiOSO4·XH2SO4·XH2O)作为钛盐可以实现,这是由于相比于其他钛盐,基于钛易水解的特殊性质,硫酸氧钛中的硫酸根离子在反应过程中与钛离子形成弱配位模式,可以有效地避免钛的水解的这一问题。通过对比实施例一与实施例六、七,表明相比于水热以及溶剂热,该发明中采用的离子热中的离子液体一方面可以为作为钛源的硫酸氧钛提供了反应条件,另一方面避免了钛的水解,保证钛在反应过程中始终处于离子形式,有利于目标产物的合成。
图2所示的单晶结构图显示该材料通过配体上有机膦酸配体末端基团的氧作为配位点,与钛离子相互配位,在空间立体构型上形成三维结构,相比于之前已有的磷酸钛二维结构材料,该结构一方面以有机化合物作为配体,有利于后修饰官能团,另一方面其三维孔道结构拓宽了该领域材料结构上的多样性。
图9所示的扫描电子显微镜显示该材料微观形状呈现块状结构。
为了对乏燃料中的铀酰进行有效回收,基于之前的方法比对,目前主要采用固体吸附法进行铀酰的回收,但目前的吸附材料无法在乏燃料中独有的酸性条件下稳定存在,导致在吸附之前需要大量的碱进行中和,从而导致资源的进一步浪费。由于使用该方法合成的有机膦酸钛晶态多孔材料在酸性条件下有良好的稳定性,将所得产物应用于pH=1和1M HNO3条件下铀酰的吸附。下表是已有的多孔材料应用于铀酰吸附的对比。
乏燃料后处理填充柱中的填充材料具体应用例如下
器件应用例1
填充柱中的填充材料为膦酸钛多孔材料,进行吸附的条件是pH=1。
器件应用例2
填充柱中的填充材料为膦酸钛多孔材料,进行吸附的条件是1M HNO3。
器件应用例3
填充柱中的填充材料为UIO-66,进行吸附的条件是pH=2。
器件应用例4
填充柱中的填充材料为MOF-76,进行吸附的条件是pH=2.4。
器件应用例5
填充柱中的填充材料为MIL-100,进行吸附的条件是pH=2。
器件应用例6
填充柱中的填充材料为JXNU-4,进行吸附的条件是pH=3。
器件应用例7
填充柱中的填充材料为H-Cu-BTC,进行吸附的条件是pH=3。
上述填充物进行吸附的条件均为其进行吸附的最低的酸性条件,其饱和吸附量如下表所示:
化合物名称 | 吸附条件 | 饱和吸附量(mg/g) |
膦酸钛多孔材料 | pH=1 | 60 |
膦酸钛多孔材料 | 1M HNO3 | 22 |
UIO-66(羧酸锆多孔材料) | pH=2 | 9 |
MOF-76(羧酸钇多孔材料) | pH=2.4 | 205 |
MIL-100(羧酸铝多孔材料) | pH=2 | 110 |
JXNU-4(羧酸锌多孔材料) | pH=3 | 37.8 |
H-Cu-BTC(羧酸铜多孔材料) | pH=3 | 210 |
表1
通过表1可知,将本发明中的膦酸钛多孔材料应用于pH=1和1M HNO3条件下对铀酰的吸附,其饱和吸附量分别为60mg/g和22mg/g,相比于其他多孔材料,一方面证明了由于膦酸配体比羧酸配体相比具有更高的pKa值从而合成的化合物可以在酸度更低的条件下稳定存在,另一方面也证明了本发明材料在酸性条件下对铀酰具有一定的吸附能力。将该有机框架材料作为乏燃料后处理填充柱中的填充材料,通过乏燃料流经填充柱从而实现对铀酰的提取。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细特征以及详细方法,但本发明并不局限于上述详细特征以及详细方法,即不意味着本发明必须依赖上述详细特征以及详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明选用组分的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,以及其他在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (7)
1.一种有机膦酸钛晶态多孔材料的制备方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
步骤一:将有机膦酸配体加入至反应釜中;
步骤二:将钛盐加入至反应釜中;
步骤三:将离子液体加入至反应釜中;
步骤四:滴加质量分数为37%-40%的氢氟酸溶液至反应釜中;
步骤五:将反应釜放置于160℃下加热五天,进行离子热法结晶;
步骤六:使用乙醇和纯水进行反复洗涤2-3次,至无絮状物出现,室温下干燥,获得产品;
有机膦酸配体为TppaH8(1,3,5,7-四(4-膦酰基苯基)金刚烷);
钛盐为硫酸氧钛-硫酸水合物;1,3,5,7-四(4-膦酰基苯基)金刚烷与硫酸氧钛-硫酸水合物按照摩尔比1:2.5的比例添加;
离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑溴盐。
2.一种有机膦酸钛晶态多孔材料,其特征在于,所述有机膦酸钛晶态多孔材料通过根据权利要求1所述的有机膦酸钛晶态多孔材料制备方法制备。
3.一种基于权利要求1所述方法制备的有机膦酸钛晶态多孔材料,其特征在于,所述的膦酸钛晶态多孔材料通过配体上有机膦酸配体末端基团的氧作为配位点,与钛离子相互配位,在空间立体构型上呈三维结构,合成后的该材料不溶于水和有机溶剂以及强酸,分子式为[EMlm]2[Ti3.5(TppaH)F9]2·23H2O。
4.一种基于权利要求2或3所述有机膦酸钛晶态多孔材料的应用,其特征在于,有机膦酸钛晶态多孔材料对于铀酰吸附的应用。
5.根据权利要求4所述的有机膦酸钛晶态多孔材料的应用,其特征在于,铀酰吸附时需要在pH=1或1M HNO3的酸性条件下。
6.一种过滤柱,其特征在于,过滤柱至少包含一个功能部分中具有权利要求2或3所述的有机膦酸钛晶态多孔材料。
7.根据权利要求6所述的过滤柱,其特征在于,所述的功能部分为过滤柱的主体填充部分。
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