一种分级多孔抗污损型海水提铀水凝胶膜的制备方法技术

本发明专利技术涉及铀捕集材料技术领域，具体地说是一种分级多孔抗污损型海水提铀水凝胶膜制备方法。本发明专利技术采用简便的紫外线诱导自由基聚合法合成抗污损型水凝胶膜，进一步采用恒电流聚合法向其中引入聚吡咯，使纳米级材料在聚合物中的均匀负载；采用分级多孔抗污损型水凝胶膜使材料具有良好的亲水性能，且吸附剂独特的结构有利于与铀酰离子的接触和相互结合；采用聚吡咯纳米级添加剂带正电荷的特点，其自身在海水pH值条件下具有良好的吸附能力，而且还可以提升材料整体的正电荷密度，进一步提升水凝胶的抗污性能。

【技术实现步骤摘要】
一种分级多孔抗污损型海水提铀水凝胶膜的制备方法
：本专利技术涉及铀捕集材料
，具体地说是一种分级多孔抗污损型海水提铀水凝胶膜的制备方法。
技术介绍
随着我国大规模发展核电，铀矿作为核电原料之一，其需求量日益迫切。目前已知的全球可开发性铀矿资源有限，而海洋中蕴藏着巨大的铀资源库，总储备量可达42.9亿吨。从国家长远发展的角度来看，将视野转向海洋，开发并高效利用海洋铀资源，是符合国家中长期科学和技术发展规划纲要的。因此，基于铀的稀缺性和战略价值，从海水中提取铀作为传统矿石类铀资源的补充或替代，对于支撑我国核电事业的快速发展具有重要意义。近年来，纳米材料被认为是一类从海水中提取铀的最具前景的吸附材料之一。相比于与其他吸附剂，它们通常具有高比表面积、高官能团位点密度和快速传质等优势，这些特性使它们有望大幅度提升对铀酰的吸附容量和吸附选择性。然而，由于其自身性质，它们大多以块状粉末或胶体晶体的形式存在（尺寸为101-103nm）。这些难以处理的粉末和晶体大大降低了作为吸附剂的可加工性和广泛应用。因此，将聚合物与纳米材料相结合，是一种理想的海水提铀材料。然而，现有的具有纳米结构的宏观材料的合成技术仍存在诸多问题：问题1：与纳米材料结合的聚合物基底亲水性较差。为了增加吸附剂在海水提铀领域上的实际应用价值，可将纳米材料引入到树脂、纤维和薄膜等聚合物材料中。然而，上述功能性聚合物基底的内部结构通常是天然致密的，海水在吸附剂内部的流动性较差，因此铀酰离子很难渗透到吸附剂内部，只有外部的官能团才能有效吸附铀，而被吸附的铀酰离子会在吸附剂表面迅速形成交联聚合物层，使其他铀酰离子很难迁移到内部，大大较低了官能团的可利用率。目前，报道了一些策略用于改善它们的内部结构，提升聚合物基底的亲水性和比表面积，如制备超薄、超细和微孔结构。然而，上述设计方法通常倾向于降低吸附剂的机械强度或使其难以重复利用。问题2：现有技术难以实现纳米材料在聚合物基底中的均匀负载。目前已尝试了不同的途径将纳米材料负载到具有介孔/大孔的聚合物基底中，如层接层方法、喷射法以及原位生长法。然而，通常情况下纳米材料在聚合物中的尺寸和含量受表面润湿性、粗糙度和带电性的极大限制，因此它们的实验条件必须精确调整，否则极易发生团聚且大大影响材料在孔径和总体孔隙率上的可调性。纳米材料的不均匀负载也降低了材料的外部有效比表面积，从而影响铀酰离子在吸附剂上的扩散动力学，导致吸附容量较低且吸附过程缓慢。另外，为了提升被嵌入的纳米材料与基质之间的相容性，往往需要增加其他表面改性剂，这不仅增加了合成难度而且提升了制备吸附剂的成本。问题3：现有材料难以兼具良好的抗污损性能和铀吸附性能。由于需要将吸附剂部署在实际海洋环境中，海洋生物污损对于海水提铀吸附剂的开发构成了极大的挑战。实际上，通常被认为对吸附剂有利的特征，例如大孔隙度或纳米纹理均会促进材料表面生物污染的速度并最终导致材料失效。因此，开发具有防污性能的铀海水提取新型吸附剂至关重要。带有阳离子电荷的离子液体是一种典型的抗污损材料，被广泛应用于防污领域。然而，由于其自身并不存在可与铀酰离子配位的官能团，因此无法直接作为海水提铀吸附剂。若采用一锅法，将防污材料与具有良好吸附性能的纳米材料共同引入到水凝胶类吸附剂中，会使水凝胶过度交联，堵塞三维网络结构，降低铀酰离子与吸附剂的可接触性，从而导致吸附性能较差。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种分级多孔抗污损型海水提铀水凝胶膜的制备方法，有效解决了现有宏观类吸附剂亲水性较差、纳米级添加剂易聚集以及无法兼具吸附性能和抗污损性能的问题。针对问题1：聚丙烯酰胺基水凝胶吸附剂在海水提铀领域中具有广阔的应用前景，其作为一类由嵌入在富水环境中的亲水性聚合物链形成的三维网状结构材料，具有广泛的物理化学性质，如大比表面积、高密度官能团、独特的孔结构、易于回收利用以及环境友好等特点。海水中的铀酰离子易于通过水凝胶的三维网络结构扩散到每一部分，从而被吸附剂上的特定官能团所捕获。另外，通过在共聚物网络中引入聚乙烯吡咯烷酮可与聚丙烯酰胺形成氢键，为水凝胶膜提供良好的力学性能，有效改善其机械强度，从而满足实海应用条件。利用紫外光聚合反应可直接获得抗污损型水凝胶膜，该过程无需加热处理，将预凝胶溶液直接滴涂在ITO玻璃基底上，通过自由基聚合反应可在较短时间内聚合成水凝胶膜。针对问题2：聚吡咯作为带正电荷的纳米级添加剂，其自身不仅在海水pH值条件下具有良好的吸附能力，而且还可以增加材料整体的正电荷密度，从而提升水凝胶的抗污性能。在水凝胶膜形成后，进一步利用电化学方法，通过设置电化学参数可在水凝胶膜中均匀地负载纳米级聚吡咯，实现具有分级多孔结构的抗污损型水凝胶膜。该方法无需添加其他助剂，即可成功地将纳米材料引入到三维网络的水凝胶材料中。针对问题3：在水凝胶膜的设计过程中，引入带有阳离子电荷的1-乙烯基-3-丁基咪唑鎓抗污损型材料，通过静电作用吸引带负电荷的藻类或细菌细胞膜。细胞膜上的疏水性侧链与1-乙烯基-3-丁基咪唑鎓的极性基团相结合导致细胞物质泄漏，从而实现良好的抗生物污损能力。在形成该抗污损水凝胶膜后负载聚吡咯，使吸附剂呈现分级孔结构、大的比表面积以及优异的抗污损性能，有效解决了现有材料难以兼具良好的抗污损性能和铀吸附性能的问题。兼容性和协同性：采用电化学方法在水凝胶膜中负载纳米材料，不仅有效解决了纳米级吸附剂的固有微孔/介孔结构，进一步引入外部的宏观孔，加快海水进入吸附剂内部，提升铀酰离子的向吸附剂的扩散动力学，使整个吸附过程在较短的时间内完成，还改善了纳米材料在聚合物中易聚集、团聚的问题。根据上述专利技术构思本专利技术包括以下步骤：步骤一：预凝胶溶液的制备：将聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酰胺和1-乙烯基-3-丁基咪唑鎓分别以质量比为1:1:1~1:4:1溶解在去离子水中，随后分别加入相当于丙烯酰胺单体1wt％~2wt％的交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.2wt％~1wt％的光引发剂二乙氧基苯乙酮，混合搅拌2h~6h均匀；步骤二：抗污损型水凝胶膜的成型：将ITO导电玻璃切成约2cm×3cm的尺寸，用去离子水和丙酮各洗涤1次；采用厚度约为40μm的3M胶带层粘贴到ITO基材上；随后，将胶带的中央部分切掉1cm×1cm的面积，以确定水凝胶膜的长度和宽度；将预凝胶溶液滴到上述准备好的ITO基材上，并用盖玻片覆盖以排出所有气泡；聚合反应在254nm或365nm的紫外灯照射下进行30min~90min，最终形成抗污损型水凝胶膜；步骤三：具有分级结构的抗污损型水凝胶膜的制备：在三电极系统中，将上述所得抗污损型水凝胶膜涂覆的ITO作为工作电极，铂板作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，含有0.1mol/L~0.2mol/L吡咯的0.1mol/L~0.5mol/LKCl溶液作为电解质；采用电化学聚合法，在水凝胶膜中电聚合形成聚吡咯；设置电化学参数为电流密度1mA/cm2，输入电荷0.6C，聚合时间600s~1800s；所形成的聚吡咯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分级多孔抗污损型海水提铀水凝胶膜的制备方法包括以下步骤：/n步骤一：预凝胶溶液的制备：将聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酰胺和1-乙烯基-3-丁基咪唑鎓分别以质量比为1:1:1~1:4:1溶解在去离子水中，随后分别加入相当于丙烯酰胺单体1wt％~2wt％的交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.2wt％~1wt％的光引发剂二乙氧基苯乙酮，混合搅拌2h~6h均匀；/n步骤二：抗污损型水凝胶膜的成型：将ITO导电玻璃切成约2cm×3cm的尺寸，用去离子水和丙酮各洗涤1次；采用厚度约为40μm的3M胶带层粘贴到ITO基材上；随后，将胶带的中央部分切掉1cm×1cm的面积，以确定水凝胶膜的长度和宽度；将预凝胶溶液滴到上述准备好的ITO基材上，并用盖玻片覆盖以排出所有气泡；聚合反应在254nm或365nm的紫外灯照射下进行30min~90min，最终形成抗污损型水凝胶膜；/n步骤三：具有分级结构的抗污损型水凝胶膜的制备：在三电极系统中，将上述所得抗污损型水凝胶膜涂覆的ITO作为工作电极，铂板作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，含有0.1mol/L~0.2mol/L吡咯的0.1mol/L~0.5mol/L KCl溶液作为电解质；采用电化学聚合法，在水凝胶膜中电聚合形成聚吡咯；设置电化学参数为电流密度1mA/cm...

【技术特征摘要】
1.一种分级多孔抗污损型海水提铀水凝胶膜的制备方法包括以下步骤：
步骤一：预凝胶溶液的制备：将聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酰胺和1-乙烯基-3-丁基咪唑鎓分别以质量比为1:1:1~1:4:1溶解在去离子水中，随后分别加入相当于丙烯酰胺单体1wt％~2wt％的交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.2wt％~1wt％的光引发剂二乙氧基苯乙酮，混合搅拌2h~6h均匀；
步骤二：抗污损型水凝胶膜的成型：将ITO导电玻璃切成约2cm×3cm的尺寸，用去离子水和丙酮各洗涤1次；采用厚度约为40μm的3M胶带层粘贴到ITO基材上；随后，将胶带的中央部分切掉1cm×1cm的面积，以确定水凝胶膜的长度和宽度；将预凝胶溶液滴到上述准备好的ITO基材上，并用盖玻片覆盖以排出所有气泡；聚合反应在254nm或365nm的紫外灯照射下进行30min~90min，最终形成抗污损型水凝胶膜；
步骤三：具有分级结构的抗污损型水凝胶膜的制备：在三电极系统中，将上述所得抗污损型水凝胶膜涂覆的ITO作为工作电极，铂板作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，含有0.1mol/L~0.2mol/L吡咯的0.1mol/L~0.5mol/LKCl溶液作为电解质；采用电化学聚合法，在水凝胶膜中电聚合形成聚吡咯；设置电化学参数为电流密度1mA/cm2，输入电荷0.6C，聚合时间600s~1800s；所形成的聚吡咯/抗污损型水凝胶膜在空气中干燥并从基材上剥离，最终得到具有分级结构的抗污损型水凝胶膜（P(VP-AM-VBIMBr)/PPy）。


2.如权利要求1所述的一种分级多孔抗污损型海水提铀水凝胶膜的制备方法，其特征在于步骤一中，聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酰...

【专利技术属性】
技术研发人员：王君，白震媛，刘琦，张宏森，朱佳慧，刘静媛，于静，孙高辉，陈蓉蓉，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23