高湿环境下气态放射性碘捕获的超疏水活性炭纤维及制备

本发明涉及放射性废气处理，具体涉及到一种高湿环境下气态放射性碘捕获的超疏水活性炭纤维及制备。

背景技术：

1、在核电站运行和乏燃料后处理过程中，会产生大量放射性废气，其中气态放射性碘(131i和129i)是放射性废气流中危害最大的污染物，必须对其进行处理。目前，针对气态放射性碘的处理处置技术主要包括湿法洗涤和固体吸收剂法，由于固体吸附剂具有成本低，能耗低和使用便捷等优点成为目前最常用的方法。

2、现已开发许多固体吸附剂进行去除气态放射碘，例如：沸石、载银多孔材料、金属有机框架材料等。然而，这些具备高比面积和特定结构的吸附剂由于其制备工艺复杂且成本昂贵，限制了其在工业中的应用。活性炭纤维由于丰富的微孔和高比表面积，原材料廉价易得、制备过程简单等特点，是目前在处理气态放射性碘中运用最广泛的固体吸附剂。事实上，核电站通常位于沿海地区，常年湿度较高，在乏燃料后处理过程中也存在湿法处理工序，所以实际放射性碘废气流中还存在大量的水蒸气。由于活性炭纤维表面含有极性官能团，对水分子有很强的吸附能力，活性炭纤维捕获气态放射碘时不可避免与水分子形成竞争吸附，造成吸附能力下降。因此，为了提高活性炭纤维表面疏水性，减少水分子对活性炭纤维的影响就显得尤为重要。

3、活性炭纤维材料的疏水性主要由表面化学性质和表面微纳米粗糙度决定，因此在活性炭纤维疏水改性主要有两种途径，一是在活性炭纤维表面负载低疏水官能团改变表面化学性质，另一个是用低自由能物质在活性炭纤维表面构建粗糙结构进行化学修饰。通过表面化学改性的方法对活性炭或活性炭纤维材料进行疏水改性方面已有相关专利报道，如中国专利cn201410540567.8、cn201611255627.7、cn202010187049.8报道了以十六烷基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、二甲基硅油和全氟辛醇为疏水剂，通过疏水溶液浸渍、搅拌、抽滤和高温干燥制得超疏水炭吸附材料，解决了高湿度下炭吸附材料易吸附水分子的问题。然而，液相浸渍所需的疏水溶液通常为强酸强碱溶液，改性过程中生成大量腐蚀性废液，容易造成二次污染。此外，过量的疏水溶液浸渍溶剂导致孔隙堵塞，从而使吸附能力下降。专利cn201911107224.1报道了一种制备超疏水活性炭纤维的方法，该方法将冷等离子体处理过的活性炭纤维通过动态吸附一定量的氟碳醇气体，随后经过热处理在活性炭纤维表面形成超疏水涂层。气相改性方法有效解决了孔结构堵塞问题，但是氟碳醇气体存在一定的毒害性，在操作过程中容易泄露对环境造成污染。专利cn202110793695.3报道了一种疏水性活性炭及其制备方法，该方法在活性炭表面包裹一层有机金属框架多孔疏水壳层，制得的超疏水活性炭保持了高比表面积，有效提升了吸附材料在高湿环境下的使用寿命和吸附容量。但是该方法所需的有机金属框架多孔疏水壳层制备工艺复杂，难以实现工业化生产。因此，探索一种制备条件简单且环保的超疏水活性炭或活性炭纤维的制备方法是非常必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种高湿环境下气态放射性碘捕获的超疏水活性炭纤维及制备。

2、高湿环境下气态放射性碘捕获的超疏水活性炭纤维的制备，包括如下步骤，

3、步骤a、聚多巴胺仿生粘结剂溶液的制备

4、量取三羟甲基氨基甲烷盐酸缓冲液，加入盐酸调节其ph值至8.5；将盐酸多巴胺溶解在该三羟甲基氨基甲烷盐酸缓冲液中，在25℃～70℃下以200rpm/min的转速磁力搅拌2～6h，得到聚多巴胺仿生粘结剂溶液；

5、所述三羟甲基氨基甲烷盐酸缓冲液的浓度为0.01mol/l～0.1mol/l，盐酸多巴胺与三羟甲基氨基甲烷盐酸缓冲液的质量体积比为0.5:1～2:1mg/ml。

6、步骤b、仿生粘结性的疏水悬浊液的制备

7、取有机溶剂与水的混合溶液，将二乙烯苯溶解于该混合溶液中；然后加入aibn，在室温下200rpm/min磁力搅拌3~6h，将搅拌均匀的混合物转移到聚四氟乙烯内衬里的反应釜中，于60～120℃下反应3～48h后，得到白色块状聚二乙烯基苯疏水材料；

8、所述有机溶剂与水的体积比为10:1~30:1；aibn与混合溶液的质量比为0.05:1-0.2:1 g/ml；

9、取白色块状聚二乙烯基苯研磨粉碎至粉末状，经过超声分散和/或高速剪切分散在乙醇溶液中，随后加入步骤a的聚多巴胺仿生粘结剂溶液进行混合，将混合物在25～70℃下200rpm/min磁力搅拌4～12h，得到仿生粘结性的疏水悬浊液；

10、所述白色块状聚二乙烯基苯与聚多巴胺仿生粘结剂溶液的体积比为0.5:1～2:1。

11、步骤c、活性炭纤维改性处理

12、将步骤b仿生粘结性的疏水悬浊液倒入高压雾化喷枪中，高压雾化喷枪对活性炭纤维毡进行喷涂改性处理；随后将喷涂改性后的活性炭纤维置于60～105℃下干燥6～24h，即得到超疏水活性炭纤维材料。

13、本发明进一步的技术方案是：所述有机溶剂为四氢呋喃、无水乙醇和/或乙酸乙酯中的一种或多种。

14、本发明再进一步的技术方案是：设置步骤c中高压雾化喷枪的喷涂参数为压力0.1～0.3 mpa，喷嘴口径0.8～1.5 mm。

15、本发明更进一步的技术方案是：所述喷涂的仿生粘结性的疏水悬浊液中包含聚二乙烯基苯的质量百分含量0.5～5wt%，疏水层厚度为30～200nm。

16、本发明再进一步的技术方案是：所述白色块状聚二乙烯基苯疏水材料具有多孔结构和超疏水性质，其中孔道直径为3.5～50nm，水接触角大于150°。

17、本发明再进一步的技术方案是：所述高湿环境的相对湿度30～96％rh；所述气态放射性碘为单质碘。

18、本发明的另一技术方案是：采用前述高湿环境下气态放射性碘捕获的超疏水活性炭纤维的制备得到的超疏水活性炭纤维，所述超疏水活性炭纤维材料的比表面积为1100～1500m2/g，孔隙体积0.609～0.852cm3/g，表面接触角为120～150°，对水蒸气的吸附容量为10.3～22.7%。

19、本发明与现有技术相比具有如下特点：

20、本发明采用聚多巴胺与分散的聚二乙烯基苯纳米颗粒混合后，使得原本没有粘结性的聚二乙烯基苯纳米颗粒具有优异的粘结性，能够牢固附着在活性炭纤维表面，提升了疏水层的耐久性，且多孔聚二乙烯基苯具有多孔性质，粘结在活性炭纤维表面的聚二乙烯基苯可以改善活性炭纤维的孔隙结构，保持活性炭纤维高比表面积特点。

21、本发明采用高压雾化喷涂方式对活性炭纤维进行超疏水改性，方法简单、条件温和；制备的超疏水活性炭纤维具有孔隙结构丰富的特点，保持其对气态碘的高吸附性能；活性炭纤维疏水层还具有较好的耐久性和稳定性，克服了活性炭纤维在高湿环境易吸水分子的不足，从而大大提升活性炭纤维在高湿度环境下对气态放射性碘的捕获能力，延长了材料的使用寿命。

22、本发明采用高压雾化喷涂方式对不同材质和形状的活性炭多孔材料显示出广泛的适用性，满足疏水改性要求，制备成本低且性能可靠，为工业化应用奠定基础。

23、以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。