一种有序介孔磷酸锆材料、制备方法及其在废水中的应用技术

本发明专利技术公开了一种有序介孔磷酸锆材料、制备方法及其在废水中的应用。利用模板剂作为合成介孔磷酸锆的结构导向剂，使得乙醇溶剂缓慢挥发，一步合成形成具有三维空间的磷酸锆；本发明专利技术的采用介孔结构的磷酸锆材料为吸附剂，同时，在恒温震荡条件下对溶液中的铀酰离子进行化学吸附，废水中的铀酰离子快速地与材料表面的磷酸官能团络合，更高效的吸附铀酰离子；本发明专利技术的有序介孔磷酸锆材料制备方法简单低成本，能够处理核电站废水中铀的需求，处理后的样品也易于再利用，具有较好的应用市场。

Ordered mesoporous zirconium phosphate material, preparation method and its application in waste water

The invention discloses an ordered mesoporous zirconium phosphate material, a preparation method and its application in waste water. The template is used as the structure guiding agent for the synthesis of mesoporous zirconium phosphate, which makes the ethanol solvent volatilize slowly and forms zirconium phosphate with three-dimensional space in one step. Uranyl ion in the product complexes rapidly with phosphoric acid functional groups on the surface of the material to adsorb uranyl ion more efficiently; the preparation method of ordered mesoporous zirconium phosphate material of the present invention is simple and low cost, and can deal with the demand of uranium in the waste water of nuclear power plant, and the treated sample is easy to reuse, thus having a better application market.

【技术实现步骤摘要】
一种有序介孔磷酸锆材料、制备方法及其在废水中的应用
本专利技术应用于处理放射性铀废水的环保领域，具体涉及介孔磷酸锆制备和利用其吸附分离废水中放射性铀酰离子。
技术介绍
核能是近代新开发利用的能源，核能作为较清洁的能源，有着效能高的优点。同样地，在铀矿等含有放射性核素矿山开采以及冶炼的过程中产生的放射性废物，不仅给人类赖以生存的环境带来污染，在生产过程中排放的放射性核素也造成资源的浪费。目前，处理放射性废水的主要机理是将中低水平的放射性废水中的放射性物质富集成为高放射性水平的废水，其余废水达到排放标准而进行下一步的处理。从废水中提铀的主要方法有吸附法、浮选法、溶剂萃取分离法、生物处理法、离子交换法、化学沉淀法、超导磁分离法等。吸附法是目前研究最多的方法之一，吸附法提取铀的研究重点是研究开发新型铀吸附材料。吸附法处理放射性废水不会给水体带来二次污染物质，吸附剂与放射性核素形成的沉淀物质可以较容易的与水体分离。且通过脱附过程，可以将废液中的放射性核素重新资源化利用。现在分离富集废水中的铀酰离子所面对的问题是：(1)材料制备过程复杂，成本高，不易放大生产，不利于实际应用。(2)一般吸附剂如硅藻土，沸石，活性炭，膨润土的物理吸附，吸附量低。(文献1：S.Kumar,V.A.Loganathan,R.B.Gupta,M.O.Barnett,AnassessmentofU(VI)removalfromgroundwaterusingbiocharproducedfromhydrothermalcarbonization,J.Environ.Manage.2011，92:2504–2512)(3)在多种离子存在时不具有特异选择吸附性，文献2(XiaLiu,JiaxingLi,XiangxueWang,ChanglunChen,XiangkeWang.Highperformanceofphosphate-functionalizedgrapheneoxidefortheselectiveadsorptionofU(VI)fromacidicsolution.JournalofNuclearMaterials.2015，466：56-64)研究了磷酸功能化的材料吸附废水中的铀酰离子获得了较好的效果，吸附量远远高于非磷酸功能化的材料。
技术实现思路
针对现有处理含铀废水的吸附材料存在的问题，本专利技术提供了一种有序介孔磷酸锆材料，本专利技术所制备的吸附剂介孔磷酸锆具有有序纳米孔道，较高的比表面积，选择吸附性，结构稳定，易回收且对环境友好等优点。为实现上述优点，本实验采取的技术方案为：一种有序介孔磷酸锆材料，采用溶胶-凝胶法及溶剂挥发自组装(EISA)制备介孔磷酸锆材料，利用模板剂作为合成介孔磷酸锆的结构导向剂，使得乙醇溶剂缓慢挥发，一步合成形成具有三维空间的磷酸锆。包括以下步骤：(1)模板剂F127为导向剂溶解在无水乙醇溶剂中。(2)以ZroCl2.8H2O和PO(OCH3)3分别作为锆源和磷源，加入(1)中,磁力搅拌4-10h。(3)将(2)的溶液倒入培养皿中，在333K放置48h，然后383K放置24h，得到前驱体干凝胶。(4)前驱体干凝胶下放置在马弗炉中773K煅烧，所得材料命名为MZrP-773K。优选的，步骤(1)中F127:(P+Zr)的摩尔比为0.01。优选的，步骤(2)中ZroCl2.8H2O和PO(OCH3)3的摩尔比为0.75。进一步，步骤(3)中，步骤(2)溶液倒入培养皿时覆盖一层保鲜膜，并带有小孔，防止无水乙醇溶剂挥发过快。进一步优化，步骤(4)中煅烧的升温速率为1K/min，773K煅烧4h。本专利技术与现有技术相比，优点是：(1)本专利技术的吸附剂为介孔结构的磷酸锆材料，有序介孔结构提供了更大的吸附反应接触面积。(2)该材料在恒温震荡条件下对溶液中的铀酰离子进行化学吸附，废水中的铀酰离子快速地与材料表面的磷酸官能团络合，而非一般的物理吸附，从而更高效的吸附铀酰离子。(3)材料本身是耐酸性材料，在强酸条件下，吸附铀酰离子的介孔磷酸锆能够快速脱附铀酰离子，吸附材料可循环再利用，从而达到了分离富集废水中铀酰离子的目的。(4)材料制备方法简单低成本，能够处理核电站废水中铀的需求，处理后的样品也易于再利用，具有较好的应用市场。附图说明图1为本专利技术的有序介孔磷酸锆材料的XRD图；图2为本专利技术的有序介孔磷酸锆材料的SEM；图3为本专利技术的有序介孔磷酸锆材料的FTIR图；图4为本专利技术的有序介孔磷酸锆材料的N2吸脱附等温曲线；图5为本专利技术的有序介孔磷酸锆材料的XPS光谱图；图6为实施例中有序介孔磷酸锆材料在不同初始浓度下对铀酰离子的吸附效果图；图7为实施例中有序介孔磷酸锆材料在不同pH下对铀酰离子的吸附效果图；图8为实施例中有序介孔磷酸锆材料在不同吸附时间下对铀酰离子的吸附效果图；图9为实施例中有序介孔磷酸锆材料在多种金属离子存在下对铀酰离子的吸附效果图。具体实施方式(1)有序介孔磷酸锆材料的制备本专利技术提供了一种介孔结构的材料在含铀废水处理领域的应用，发现其对废水中铀酰离子有较强的吸附性能并可多次使用。(2)材料性能表征测试利用SEM、TEM、XRD、FTIR、BET和XPS对材料进行表征测试。(3)材料的吸附性能测试吸附材料在不同初始浓度，pH，接触时间和多种金属离子存在条件下下对铀酰离子的吸附性能，以及材料的吸附动力模型。实施例介孔磷酸锆材料的制备(1)采用溶胶-凝胶法和溶剂挥发自组装(EISA)，将1.2g模板剂F127加入于13ml的无水乙醇溶剂中，采用油浴加热，控温在303K，磁力搅拌至澄清。(2)称取1.6125g(5mmol)的锆源ZroCl2.8H2O原材料加到步骤(1)的溶液中，搅拌至完全溶解；将0.5253g(3.75mmol)的磷源PO(OCH3)3溶在2ml的无水乙醇后，缓慢滴加到上述溶液中，其中P/Zr＝0.5-1.0，磁力搅拌6h。(3)将(2)的溶液倒入培养皿中，在培养皿上覆盖一层保鲜膜并留有小孔，在烘箱中333K放置48h，然后383K放置24h，得到干凝胶即为介孔磷酸锆的前驱体。(4)将上述的前驱体干凝胶放置在马弗炉中煅烧，升温速率为1℃/min，在773K煅烧4h，自然降温至303K。材料性能测试1X射线衍射分析(XRD)本专利技术实施例吸附剂介孔磷酸锆的X射线衍射分析如图1所示，采用德国Bruker公司生产的D8Advance型X射线衍射仪(XRD)对试样进行物相分析，测试条件为：石墨单色器，Cu-Kα辐射，辐射波长λ＝0.15418nm，管电压40kV，管电流40mA，扫描角度范围2θ＝0.6-10。在图1中，四条曲线a,b,c,d表示材料制备时P/Zr的摩尔比分别为0.75，1，0.5，0.25，从图1中可以清楚地看到，在小角范围内扫描，在2θ＝0.80-0.9°处四条曲线都出现很强的衍射峰，其为(100)晶面，但是可以明显的发现，随着P/Zr的摩尔比的增加，该处衍射峰逐渐增强；当P/Zr＝0.75时衍射峰强度最强；当P/Zr>0.75时衍射峰强度又明显降低。而2θ＝1.55-1.65°处的衍射峰其为(110)晶面，在图1上a，b曲线在该位置出现一个较弱的衍射峰，而c，d曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种有序介孔磷酸锆材料，其特征在于，该材料制备利用模板剂作为合成介孔磷酸锆的结构导向剂，使得乙醇溶剂缓慢挥发，一步合成形成具有三维空间的磷酸锆；包括以下步骤：(1)将模板剂F127为导向剂溶解在无水乙醇溶剂中；(2)以ZroCl2.8H2O和PO(OCH3)3分别作为锆源和磷源，加入(1)中,磁力搅拌4‑10h；(3)将(2)的溶液倒入培养皿中，在333K±5K放置至少48h，然后在383K±5K放置至少24h，得到前驱体干凝胶；(4)前驱体干凝胶下放置在773K下煅烧，得到具有三维空间的磷酸锆MZrP‑773K。

【技术特征摘要】
1.一种有序介孔磷酸锆材料，其特征在于，该材料制备利用模板剂作为合成介孔磷酸锆的结构导向剂，使得乙醇溶剂缓慢挥发，一步合成形成具有三维空间的磷酸锆；包括以下步骤：(1)将模板剂F127为导向剂溶解在无水乙醇溶剂中；(2)以ZroCl2.8H2O和PO(OCH3)3分别作为锆源和磷源，加入(1)中,磁力搅拌4-10h；(3)将(2)的溶液倒入培养皿中，在333K±5K放置至少48h，然后在383K±5K放置至少24h，得到前驱体干凝胶；(4)前驱体干凝胶下放置在773K下煅烧，得到具有三维空间的磷酸锆MZrP-773K。2.根据权利要求1所述的有序介孔磷酸锆材料，其特征在于，步骤(1)中与步骤(2)中F127:(P+Zr)的摩尔比为0.01。3.根据权利要求1所述的有序介孔磷酸锆材料，其特征在于，步骤(2)中ZroCl2.8H2O和PO(OCH3)3的摩尔比为0.5-1.0。4.根据权利要求1所述的有序介孔磷酸锆材料，其特征在于，步骤(3)中，步骤(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜学武，廖雅杰，李洪，李晓山，黎皖豪，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32