一种质子化钛酸盐纳米管的制备方法及其对铀、铯的吸附应用技术

本发明专利技术涉及海洋放射性核素污染治理与富集检测领域，具体涉及一种不同H

Preparation of protonated titanate nanotubes and their adsorption applications for uranium and cesium

The invention relates to the field of marine radionuclide pollution control and enrichment detection, in particular to a different H.

【技术实现步骤摘要】
一种质子化钛酸盐纳米管的制备方法及其对铀、铯的吸附应用
本专利技术涉及海洋放射性核素污染治理与富集检测领域，具体涉及一种以钛酸盐纳米管及其系列质子化改性产物的制备方法，以及以之为吸附剂，快速高效去除海水/废水中低浓度核素铀(UO22+)、铯(Cs+)离子的方法。
技术介绍
核电在正常的运行模式下是一种清洁环保的能源，是未来人类解决能源问题的有效途径。然而，在核电站生产发电过程中会产生大量含核废水，核电站发生事故时会导致核泄漏的严重后果。核事故中泄漏的放射性核素大部分通过渗漏和排放进入海洋，进入海洋的放射性元素如铀(U)、铯(Cs)、碘(I)、锶(Sr)等大部分转化为离子形态存在。这些核素离子在海水中难以去除，通过食物链等途径进入人体会造成巨大危害，已引起国内外研究学者的高度关注。目前，水中放射性核素的常用处理方法一般为吸附法、化学沉淀法、膜分离法、离子交换法等，吸附法作为一种可高效去除和回收水中污染物的技术广受关注，但由于一般吸附材料在吸附速度、吸附容量等方面表现出诸多缺陷，寻找从海水中快速有效去除低浓度核素离子的方法已成为了国内外核污染治理与富集检测领域的热点课题。近年来，钛酸盐类纳米吸附材料因其优异的结构特性和吸附效果逐渐进入了研究者视野。钛酸盐纳米材料不仅具备纳米微观尺寸带来的许多优异特性，还有着原材料来源广泛、储量较多、制备方法简单、离子交换位点多、吸附性能优良等优势，在水中污染物的吸附应用领域前景广阔。作为一种典型的钛酸盐纳米材料，钛酸盐纳米管孔隙度和比表面积大、微观形貌规则，可通过离子交换、表面络合等方法吸附水中的阳离子，吸附后材料的层状亚稳态结构发生部分坍塌，层间距缩小，进而可永久性的固定目标离子。但钛酸盐纳米材料制备条件变化(如反应温度、酸洗强度等)对其层间结构、化学组成、表观形貌及吸附性能的影响仍未厘清，特别是不同条件下钛酸盐纳米材料H+/Na+比例的变化规律尚未明晰，而不同H+/Na+对产物化学成分及性能至关重要。公开号CN106564942A的中国专利技术专利《一种钛酸盐纳米管及其制备方法》公开了一种钛酸盐纳米管的制备方法，通过水热、真空活化及化学气相沉积，制备了一种向日葵型钛酸盐纳米管，但水热温度、酸洗浓度改变对产物形貌的影响未深入研究。公开号CN102161504A的中国专利技术专利《一种钛酸盐纳米管及其制备方法和应用》公开了一种大比表面、多层壁的钛酸盐纳米管制备方法，该钛酸盐纳米管的显著特点是其不对称结构，管壁一侧为三层、一侧为四层，可应用于锂电池电极膜片材料，但未进一步研究制备的钛酸盐纳米管H+/Na+及化学组成，也未探讨反应条件改变带来的产物形貌变化影响。而且，目前钛酸盐纳米管及其改性产物作为吸附剂的应用主要集中在水中Pb2+、Cu2+、Cd2+等重金属离子的去除上，在海洋低浓度放射性核素离子的高效吸附领域研究较少，从水中富集较低浓度核素离子对材料的比表面积、表面基团等提出了更高的要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种质子化钛酸盐纳米管及其制备方法，以及高效去除海水中低浓度铀、铯离子的应用，吸附去除效果好、吸附时间短。本专利技术为解决上述问题所采用的技术方案为：一种质子化钛酸盐纳米管的制备方法，主要步骤如下：①水热法制备钛酸盐纳米管：将一定量锐钛矿TiO2纳米粉末分散于NaOH溶液，然后进行水热反应，置于100～200℃的条件反应6～10h，所得固体记为钛酸盐纳米管T；②制备质子化钛酸盐纳米管：将步骤①制备得到的钛酸盐纳米管充分浸没在0.001mol/L～0.1mol/L的HNO3溶液中，室温下浸泡1～3h后，经洗涤、分散、烘干，制备得到不同H+/Na+的系列质子化钛酸盐纳米管，0.001、0.01、0.1mol/L质子化改性产物分别记为H1、H2、H3。按上述方案，所述NaOH溶液的浓度为5～15mol/L。按上述方案，所述锐钛矿TiO2纳米粉末在NaOH溶液中的浓度为1～16mg/mL。按上述方案，所述锐钛矿TiO2纳米粉末分散于NaOH溶液时，搅拌时间12～14h。按上述方案，所述水热反应结束后还包括固液分离和洗涤、分散、烘干的步骤。具体过程为：水热反应结束后，所得固液混合物降至室温，离心分离得到白色固体。所得固体用去离子水多次洗涤至上清液为中性，再用无水乙醇分散，最后烘干，即为纯净的钛酸盐纳米管。按上述方案，步骤②中所述洗涤、分散、烘干步骤依次为：用去离子水多次洗涤至上清液为中性，再将所得固体产物用无水乙醇分散，最后置于烘箱(60～100℃)内烘干。上述方法所得质子化钛酸盐纳米管吸附去除溶液中核素铀、铯的方面的应用。应用方法：在一定的反应温度下，称取一定量质子化钛酸盐纳米管置于含低浓度铀、铯离子(低浓度约为5～15mg/L)的放射性海水或废水中，采用酸或碱调节反应体系的pH值为3～8，振荡至吸附平衡后(振荡至吸附平衡时间为60～180min)，UO22+和Cs+即可吸附在质子化钛酸盐纳米管上，停止震荡待吸附剂沉降后固液分离，铀、铯离子可去除79％～97％、80％～93％。其中，反应温度为15～35℃；质子化钛酸盐纳米管投加水平为0.05～0.5g/L。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术首先采用的水热法制备钛酸盐纳米管，不添加任何表面活性剂和模板剂，反应条件温和、产品形貌均一、操作简单，克服了烧结法制备工艺造成的产物颗粒大、形貌不可控等技术缺点；然后，本专利技术采用酸泡处理对钛酸盐纳米管进行质子化改性，改性方法简单、改性成本低廉、反应条件可控，通过控制酸的浓度和用量制备得到不同H+/Na+的系列质子化钛酸盐纳米管，进而可揭示不同程度的质子化改性对钛酸盐纳米管化学成分、表观形貌的影响，有效拓展钛酸盐纳米管的应用范围。第二，不同于国内外将钛酸盐纳米管应用于重金属污染水体修复、高放射性水平核废水处理等领域的研究，本专利技术将钛酸盐纳米管及其系列质子化改性产物应用于海水中低浓度UO22+、Cs+的吸附去除，同时采用质子化改性增加钛酸盐纳米管中H+含量，增加材料的孔隙度和比表面积，大幅提升钛酸盐纳米管对水中核素离子的吸附去除能力和抗干扰能力，所制备的质子化改性钛酸盐纳米管对水中UO22+、Cs+的去除效果好、吸附时间短，去除效果显著。同时，质子化改性钛酸盐纳米管在海水中常见干扰阳离子存在时对低浓度UO22+、Cs+的吸附效果也较为突出，抗干扰能力强，拓展了钛酸盐纳米管系列材料在吸附领域的应用范围，为低放射水平的海水中铀、铯核素的吸附去除与快速富集检测提供了可靠技术方法。附图说明图1为实施例1中钛酸盐纳米管T及其质子化改性产物H1、H2、H3的透射电镜图；图2为实施例1中钛酸盐纳米管T及其质子化改性产物H1、H2、H3的SEM-EDS电子图像和面总图谱；图3为实施例3中溶液pH对钛酸盐纳米管及其质子化改性产物吸附核素离子的影响，其中A-吸附铀；B-吸附铯；图4为实施例4中吸附时间对钛酸盐纳米管及其质子化改性产物吸附核素的影响，其中A-吸附铀；B-吸附铯。图5为实施例5中干扰离子Na+的浓度变化对UO22+在钛酸盐纳米管及其质子化改性产物上的吸附影响曲线；图6为实施例6中干扰离子K+的浓度变化对Cs+在钛酸盐纳米管及其质子化改性产物上的吸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种质子化钛酸盐纳米管的制备方法，其特征在于主要步骤如下：①水热法制备钛酸盐纳米管：将锐钛矿TiO2纳米粉末分散于NaOH溶液，然后进行水热反应，置于100~200℃的条件反应6~10h，所得固体即为钛酸盐纳米管；②制备质子化钛酸盐纳米管：将步骤①制备得到的钛酸盐纳米管充分浸没在0.001mol/L~0.1mol/L的HNO3溶液中，室温下浸泡1~3h后，经洗涤、分散、烘干，制备得到质子化钛酸盐纳米管。

【技术特征摘要】
1.一种质子化钛酸盐纳米管的制备方法，其特征在于主要步骤如下：①水热法制备钛酸盐纳米管：将锐钛矿TiO2纳米粉末分散于NaOH溶液，然后进行水热反应，置于100~200℃的条件反应6~10h，所得固体即为钛酸盐纳米管；②制备质子化钛酸盐纳米管：将步骤①制备得到的钛酸盐纳米管充分浸没在0.001mol/L~0.1mol/L的HNO3溶液中，室温下浸泡1~3h后，经洗涤、分散、烘干，制备得到质子化钛酸盐纳米管。2.根据权利要求1所述的一种质子化钛酸盐纳米管的制备方法，其特征在于所述NaOH溶液的浓度为5~15mol/L。3.根据权利要求1所述的一种质子化钛酸盐纳米管的制备方法，其特征在于所述锐钛矿TiO2纳米粉末在NaOH溶液中的投加水平为1~16mg/mL。4.根据权利要求1所述的一种质子化钛酸盐纳米管的制备方法，其特征在于所述锐钛矿TiO2纳米粉末分散于NaOH溶液时，搅拌时间12~14h。5.根据权利要求1所述的一种质子化钛酸盐纳米管的制备方法，其特征在于所述水热反...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晔，朱利军，李柏林，王俞迪，周育智，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42