一种聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料及其制备方法

本发明属于气凝胶结构设计领域，涉及一种聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料及制备方法，聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料对铀酰离子具有高效的选择性吸附作用。该气凝胶无需外界能量输入，可以在户外光照下自生热并加速吸附过程，为新型高效节能的海水提铀材料提供了选择。

背景技术：

1、随着人口快速增长与经济的飞速发展，广为使用的化石燃料作为传统能源，是不可再生能源，面临着濒临耗尽的局面。就经济、清洁、可持续的能源而言，与风能、太阳能、地热能相比，使用铀的核能吸引了研究者的工作兴趣。海洋中的铀储量几乎达到了45亿吨，这为解决当前的能源危机和保证未来的铀资源供应提供了可能性。

2、目前已经开发了许多海水提铀的方法，诸如吸附、离子交换、膜萃取、化学氧化等技术。其中吸附技术是一种材料制备简单、高效廉价、易于捕获目标物的方法，比如多孔碳材料、壳聚糖、有机无机杂化材料。但吸附材料缺乏选择性，将导致海水中其他微量过渡金属被吸附表面，增加了后处理成本，难以实现广泛应用。此外，目前开发的吸附材料均需要振荡或搅拌条件才可以实现，额外的能量输入对能源消耗是不利的，并且无法对海水实现就地吸附。

3、太阳能界面太阳能蒸发是一种新兴的方法，有针对性的设计太阳能蒸发装置可以将照射到材料表面的太阳光转化为热量，该热量可被用于光催化降解有机物、海水脱盐淡化等，已取得良好的效果。因此，设计一种密度低的光热材料，将其置于海面上可自行漂浮，同时太阳光照射后转化的热量可作用于材料与海洋中铀的吸附过程，无需能量输入，有望达到绿色、环保的吸附效果。

4、气凝胶材料是一种具有超高孔隙率低密度的新材料，由于内部具有大量的空气填充，使得气凝胶在隔热防护、压敏探测、能源存储、吸附分离等领域具有广泛的应用。因此，在光热复合多孔气凝胶材料的研究基础上，将可以特异性螯合铀酰离子的化学基团负载在气凝胶表面，可以实现对铀酰离子容量高速率快的吸附性能。目前气凝胶材料的制备大都是通过溶胶凝胶法制备得到的，材料内部孔隙率较低，使得比表面积的提升受限从而影响材料的吸附位点。改用电纺丝纳米纤维为原料制备得到的气凝胶，骨架材料完全由纳米纤维构成，内部孔隙率得到明显提升。因此，将光热填料与电纺纳米纤维复合，制备得到的气凝胶实现了高孔隙率增大了吸附位点，并且光热转换可以促进材料内部吸附质的扩散与作用，当气凝胶进行表面化学基团改性后，材料具备了铀酰离子的特异识别性能，整个吸附过程无需外界能量输入，从而实现光热气凝胶优异的吸附性能。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料及制备方法。采用本方法所制备的气凝胶内部具备丰富的吸附孔道，高比表面积，超亲水性能和化学螯合作用，对于解决吸附材料耗能大、速率慢、比表面积小等问题有重大功效。

3、技术方案

4、一种聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

5、步骤1：将亲水光热填料与聚丙烯腈粉末溶解在溶剂中，然后进行静电纺丝得到纤维毡，真空干燥纤维毡以除去溶剂后剪碎得到碎纤维；其中纺丝过程中的总固体溶质与溶剂的质量比为4～8:100；

6、所述亲水光热填料与聚丙烯腈粉末的质量比为1～2:10～30；

7、步骤2：将碎纤维置于叔丁醇中高速剪切形成稳定的分散液，再经过低温冷冻、冷冻干燥、溶剂蒸发交联、偕胺肟改性得到聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶；

8、所述碎纤维和叔丁醇的质量比为0.2～0.5:100；

9、所述低温冷冻是将装有分散液的模具放置在液氮中冷冻5～30min；

10、所述冷冻干燥的工艺参数为：干燥温度为-45℃，真空度为20pa，干燥时间为24～48h；

11、所述偕胺肟改性是将溶剂蒸发交联后的气凝胶浸泡在盐酸羟胺的甲醇/水溶液中，保持恒温条件反应完成偕胺肟化反应。其中，气凝胶占盐酸羟胺的甲醇/水溶液质量比为0.05～0.2wt.％，盐酸羟胺与甲醇/水溶液的质量比为1～1.5:15～20，甲醇与水的复配质量比为1～1.5:1，偕胺肟化反应的温度设定为65～75℃，偕胺肟化反应的时间设定4～6h。

12、所述亲水光热填料为聚吡咯、炭黑、聚多巴胺的一种或多种。

13、所述步骤1中溶剂选自n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、乙腈或者它们的任意组合。

14、所述步骤1中，溶解的时间为8～10h。

15、所述步骤1中静电纺丝过程中，参数为：温度为19～28℃，湿度为30～50％，接收滚筒转速为400～500rpm，推进速度为0.2～0.4ml/h，接收距离为8～15cm，正负两极电压分别为+7～10kv和-3～6kv。

16、所述步骤1中真空干燥条件为真空下80～95℃处理6～12h。

17、所述步骤2高速剪切的转速为10k～15k rpm；所述高速剪切的时间为10～15min。

18、所述步骤2中溶剂蒸发交联是：在带盖的容器底部加入溶剂n,n-二甲基甲酰胺，将气凝胶通过支撑架悬置在溶剂上方，容器加盖封闭后置于恒温水浴中加热完成交联；其中溶剂装载质量为1～2g，恒温水浴温度设定为65～80℃，交联时间控制为6～8h。

19、一种所述制备方法得到的聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料，其特征在于：将亲水光热填料与聚丙烯腈粉末通过静电纺丝和偕胺肟改性得到聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶；所述聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶微观结构为纳米纤维骨架，搭接的纤维在溶剂蒸发诱导溶解固化的过程中发生物理交联，实现气凝胶的全纤维骨架结构；所述聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶具有高孔隙率、高比表面积。

20、一种所述制备方法得到的聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料的使用，其特征在于：将聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料浸入到含有铀酰离子目标离子溶液中，溶液表面在太阳光条件下，气凝胶负载光热填料实现光热转换，从而加速吸对铀酰离子高选择性吸附和抗菌性能。

21、有益效果

22、本发明提出的一种聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料及制备方法，通过静电纺丝、高速剪切、溶剂蒸汽交联、化学键基团修饰工艺制备得到一种高孔隙率、高比表面积、全亲水、选择性吸附铀的气凝胶，其中孔隙率为99％，比表面积为31.2m2 g-1。亲水填料与纳米纤维的复合，不仅赋予材料超亲水性，还使得材料具备光热转换性能。化学改性后的气凝胶表面含有特异性识别偕胺肟基团，对铀酰离子具有高效的选择性吸附作用。该气凝胶无需外界能量输入，可以在户外光照下自生热并加速吸附过程，为新型高效节能的海水提铀材料提供了新颖的选择。

技术特征：

1.一种聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

2.根据权利要求1所述聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料的制备方法，其特征在于：所述亲水光热填料为聚吡咯、炭黑、聚多巴胺的一种或多种。

3.根据权利要求1所述聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中溶剂选自n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、乙腈或者它们的任意组合。

4.根据权利要求1所述聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，溶解的时间为8～10h。

5.根据权利要求1所述聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中静电纺丝过程中，参数为：温度为19～28℃，湿度为30～50％，接收滚筒转速为400～500rpm，推进速度为0.2～0.4ml/h，接收距离为8～15cm，正负两极电压分别为+7～10kv和-3～6kv。

6.根据权利要求1所述聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中真空干燥条件为真空下80～95℃处理6～12h。

7.根据权利要求1所述聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2高速剪切的转速为10k～15k rpm；所述高速剪切的时间为10～15min。

8.根据权利要求1所述聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中溶剂蒸发交联是：在带盖的容器底部加入溶剂n,n-二甲基甲酰胺，将气凝胶通过支撑架悬置在溶剂上方，容器加盖封闭后置于恒温水浴中加热完成交联；其中溶剂装载质量为1～2g，恒温水浴温度设定为65～80℃，交联时间控制为6～8h。

9.一种权利要求1～8任一项所述制备方法得到的聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料，其特征在于：将亲水光热填料与聚丙烯腈粉末通过静电纺丝和偕胺肟改性得到聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶；所述聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶微观结构为纳米纤维骨架，搭接的纤维在溶剂蒸发诱导溶解固化的过程中发生物理交联，实现气凝胶的全纤维骨架结构；所述聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶具有高孔隙率、高比表面积。

10.一种权利要求1～8任一项所述制备方法得到的聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料的使用，其特征在于：将聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶材料浸入到含有铀酰离子目标离子溶液中，溶液表面在太阳光条件下，气凝胶负载光热填料实现光热转换，从而加速吸对铀酰离子高选择性吸附和抗菌性能。

技术总结
本发明涉及一种聚丙烯偕胺肟光热吸附气凝胶及制备方法，包括将负载光热填料的聚丙烯腈静电纺丝得到纳米纤维，随后与叔丁醇混合剪切并冷冻，经过冷冻干燥、溶剂蒸气交联、化学偕胺肟改性得到聚丙烯腈偕胺肟气凝胶。该气凝胶由于高孔隙率和超亲水性可以完全刚好浸没在测试溶液中，在光照条件下表面产生的热量可以正向作用于气凝胶与铀的吸附过程，从而提高吸附容量，加快吸附速率。经过偕胺肟基团改性后，气凝胶对铀实现了高的选择性吸附，并且得益于表面胺基带来的负电性，聚丙烯偕胺肟气凝胶经试验表现出良好的抗菌性能。实现吸附过程在省去人工操作成本的同时无需外界能量输入，对于解决传统吸附材料能耗高、速率慢等的问题具有重要意义。

技术研发人员：张秋禹,任亚峰,田苗,雷星锋
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15