一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂及其制备方法和应用

本发明涉及吸附材料领域，具体涉及一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、铀在能源、军事和核科学领域具有重要的应用和地位。长期以来，铀是人类使用的最主要的核能源燃料，可以大大减少对传统化石能源的依赖，减少二氧化碳的排放，为人类提供持久高效的能源。

2、从储量来看，陆地铀矿资源有限，而海水中铀储量丰富。总储量约有45亿吨，是陆地铀矿含量的1000多倍。因此，从海水中高效提取铀具有十分重要的意义。然而，由于铀在海水中的浓度非常低，一般的分离方法，诸如沉淀、膜分离、溶剂萃取、电化学提纯、离子交换等很难满足要求。相比之下，吸附法适用于低浓度离子的富集，并且具有经济、简便和高效等优点，在海水提铀方面最具应用潜力。

3、吸附剂的吸附性能是海水提铀的关键。海水中的铀浓度低，同时存在很多竞争离子与其竞争吸附位点，因此需要设计对铀酰离子具有高吸附选择性和高吸附容量的吸附材料。铀通常以正四价或正六价配合物的形式存在，偕胺肟官能团由于具有位置合适的o原子和n原子，其孤对电子能够与铀酰离子形成稳定的配位键，可以有针对性地、高效地捕获和固定铀，对铀酰离子的吸附效率很高。但目前含有该类官能团的材料的吸附效果远没有达到预期，主要原因是活性官能团的暴露不够，材料有效利用率低。

4、针对上述问题，本发明将偕胺肟官能团与纳米碳材料结合，制备新型的吸附剂，利用石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶、炭黑等纳米碳材料的大比表面积和稳定性，提高复合材料对铀酰离子的吸附能力与长效耐久性。以含有多个氨基的苝酰亚胺类分散剂为媒介，经与丙烯腈、盐酸羟胺依次加成，最终将偕胺肟基团引入到碳材料表面，达到提高铀吸附率的目的。本发明为开发新型铀吸附材料提供了新思路。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有的用于吸附铀的材料存在的制备工艺繁琐、吸附量低等问题，开发简单高效的碳基吸附剂材料。首先，利用苝酰亚胺类分散剂实现对石墨烯等纳米碳材料的均匀分散，使碳材料的比表面积得到充分的利用；再以其分子上的多个氨基为反应位点，通过与丙烯腈加成、羟胺还原，得到偕胺肟基团。本发明将纳米碳材料的高比表面积和偕胺肟官能团有效结合，使吸附剂的活性基团充分暴露，从而得到一种具有高吸附容量的偕胺肟功能化碳基吸附剂复合材料，实现对铀的高效吸附。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，制备方法包括以下步骤：

3、步骤一：合成含有多氨基的苝酰亚胺类分散剂pbi，将纳米碳材料中加入到分散剂pbi中，超声得到均匀的分散液；

4、步骤二：将步骤一所得纳米碳分散液加入到一定浓度的碱溶液中，充分搅拌去质子化后离心、洗涤，得到pbi功能化的纳米碳；

5、步骤三：将丙烯腈和催化剂三乙胺加入到步骤二所得pbi功能化的纳米碳的水分散液中，进行氰乙基化反应，反应完全后将产物离心、洗涤，得到氰乙基化产物；

6、步骤四：将盐酸羟胺和三乙胺加入到步骤三所得氰乙基化产物的乙醇分散液中，进行胺肟化反应，反应完全后将产物离心、洗涤、干燥，得到对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂。

7、上述一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，步骤一中，分散剂pbi由苝酐与多胺反应得到，多胺可以为乙二胺，二乙烯三胺，三乙烯四胺，多乙烯多胺或聚乙烯亚胺。

8、上述的一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，步骤一中，所述纳米碳材料是石墨烯、碳纳米管、炭黑、石墨、生物质碳、碳气凝胶中的一种或多种。

9、上述的一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，步骤一中，按质量比，pbi与纳米碳材料的比例为1:2～2:1。

10、上述的一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，步骤二中，所述碱溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液，浓度为1～5wt.％。

11、上述的一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，步骤三中，按摩尔比，丙烯腈与pbi的比例为10:1～40:1，氰乙基化反应的反应温度为75～85℃，反应时间为20～36h。

12、上述的一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，步骤四中，按摩尔比，盐酸羟胺与pbi的比例为20:1～40:1，胺肟化反应的反应温度为65～75℃，反应时间为18～24h。

13、上述的一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，步骤四中，按摩尔比，盐酸羟胺与三乙胺的比例为0.5:1～1.5:1。

14、上述的一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，步骤四中，所述干燥方法为冷冻干燥。

15、上述的对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂在水体中对铀吸附回收的应用。

16、本发明的有益效果：

17、本发明制得的吸附剂，将纳米碳材料的大比表面积与偕胺肟官能团有效结合，极大地提高了复合材料对铀酰离子的吸附能力。使用苝酰亚胺类分散剂可以使其与碳材料通过π-π作用结合，均匀吸附在石墨烯等纳米碳材料的表面，使碳材料在液相中均匀分散。苝酰亚胺分子中的氨基可以作为反应位点，最终转化为对铀酰离子有特异性吸附能力的偕胺肟基团。该分散剂的使用，使偕胺肟均匀分布在碳材料的表面，为复合材料提供了充足的吸附位点。此外，本发明所述制备方法还具有原料成本低、操作简单、制备条件温和的优点。

技术特征：

1.一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，其特征在于，制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，其特征在于，步骤一中，分散剂pbi由苝酐与多胺反应得到，多胺可以为乙二胺，二乙烯三胺，三乙烯四胺，多乙烯多胺或聚乙烯亚胺。

3.根据权利要求1所述的一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，其特征在于，步骤一中，所述纳米碳材料是石墨烯、碳纳米管、炭黑、石墨、生物质碳、碳气凝胶中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，其特征在于，步骤一中，按质量比，pbi与纳米碳材料的比例为1:2～2:1。

5.根据权利要求1所述的一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，其特征在于，步骤二中，所述碱溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液，浓度为1～5wt.％。

6.根据权利要求1所述的一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，其特征在于，步骤三中，按摩尔比，丙烯腈与pbi的比例为10:1～40:1，氰乙基化反应的反应温度为75～85℃，反应时间为20～36h。

7.根据权利要求1所述的一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，其特征在于，步骤四中，按摩尔比，盐酸羟胺与pbi的比例为20:1～40:1，胺肟化反应的反应温度为65～75℃，反应时间为18～24h。

8.根据权利要求1所述的一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，其特征在于，步骤四中，按摩尔比，盐酸羟胺与三乙胺的比例为0.5:1～1.5:1。

9.根据权利要求1所述的一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，其特征在于，步骤四中，所述干燥方法为冷冻干燥。

10.权利要求1～9任一项所述的对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂在水体中对铀吸附回收的应用。

技术总结
本发明涉及一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂及其制备方法和应用，涉及铀吸附材料领域。一种对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂，制备方法如下：合成分散剂PBI，将纳米碳材料中加入到分散剂PBI中超声，将纳米碳分散液加入到碱溶液中，搅拌后离心、洗涤，得到PBI功能化的纳米碳；丙烯腈和三乙胺加入到PBI功能化的纳米碳的水分散液中，进行氰乙基化反应得到氰乙基化产物；将盐酸羟胺和三乙胺加入到所得氰乙基化产物的乙醇分散液中，进行胺肟化反应，得到对铀有高效吸附性能的碳基吸附剂。该材料对铀酰离子展现出了优异的吸附性能，对铀的饱和吸附量可达489mg·g<supgt;‑1</supgt;。本方法操作简单，成本低，反应条件温和，具有广阔的应用前景。

技术研发人员：崔俊硕,陈琳,熊英,娄振宁,王月娇
受保护的技术使用者：辽宁大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17