一种抗菌高强度超薄复合膜材料及其制备和在含铀废水或海水中铀富集方面的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种抗菌高强度超薄复合膜材料及其制备和在含铀废水或海水中铀富集方面的应用。复合膜材料由聚丙烯偕胺肟(PAO)功能材料分散固定在由磺化纤维素纳米晶(CNC)和壳聚糖季铵盐(QCS)形成的交联网络中构成，其制备方法是将PAO溶液与CNC溶液混合后，再依次加入湿强剂和QCS溶液震荡混合后通过注模、干燥成型，即得有高力学强度和广谱抗菌性能及优异铀吸附功能的复合膜材料，该复合膜材料对含有16ppm铀的未过滤海水和未处理的天然海水的吸铀能力分别达到312±17.5mg/g和9.67mg/g，其机械强度高达18.7MPa，使用寿命长，经过7次吸附‑解吸循环后，仍能保持良好的铀吸收性能，可广泛用于海水或含铀废水中的铀提取和含铀废水的处理。

【技术实现步骤摘要】
一种抗菌高强度超薄复合膜材料及其制备和在含铀废水或海水中铀富集方面的应用
本专利技术涉及一种膜材料，具体涉及一种抗菌、高强度、超薄，以及具有铀吸附功能的复合膜材料，还涉及其制备方法，属于铀资源回收

技术介绍
化石能源的使用会排放出大量的二氧化碳和其他有害气体，这会造成温室效应和环境污染。随着人们环保意识的提高，核能作为一种成熟、高效的新能源，已经成为越来越重要的获取能源的方式。但是，从陆地开采铀矿提取铀元素作为核燃料会造成水污染，对环境造成一定的威胁。因此，探索新型的环保型铀吸附剂是高效开采铀、从含铀废水中回收铀的迫切需要。目前已经开发了的多种铀吸附剂有良好的吸铀能力，比如多孔有机聚合物、无机氧化物/硫化物、有机-无机杂化材料、蛋白质吸附剂等。这些吸附剂有良好的吸铀能力，但是它们大多为粉末状材料，难以回收，特别是在复杂多变的海洋环境中。新型的蛋白质吸附剂拥有较高的铀选择性，但是它们的大分子量会造成总体吸铀量低，昂贵的价格也限制了它们在实际应用中的进一步发展。偕胺肟基吸附剂可塑成多种形态(如膜、纤维、水凝胶和气凝胶)，且因其良好的吸铀能力和低成本得到了广泛的关注。近年来开发的具有较大的比表面积的偕胺肟基功能化的多孔纳米材料和将聚偕胺肟分散到亲水基体中的材料，使偕胺肟基吸附剂的吸铀能力一进步提高。王等(Wang,D.；Song,J.；Wen,J.；Yuan,Y.；Liu,Z.；Lin,S.；Wang,H.；Wang,H.；Zhao,S.；Zhao,X.；Fang,M.；Lei,M.；Li,B.；Wang,N.；Wang,X.；Wu,H.SignificantlyEnhancedUraniumExtractionfromSeawaterwithMassProducedFullyAmidoximatedNanofiberAdsorbent.Adv.EnergyMater.2018,8(33),1802607.)利用纺丝工艺设计了一种具有高比表面积的聚亚胺二肟纳米纤维吸附剂，其不但吸铀能力高还便于回收重复使用。石等(Shi,S.；Li,B.；Qian,Y.；Mei,P.；Wang,N.Asimpleanduniversalstrategytoconstructrobustandanti-biofoulingamidoximeaerogelsforenhanceduraniumextractionfromseawater.Chem.Eng.J.2020,397,125337.)通过共价交联构建了高表面积PAO气凝胶，在天然海水中对铀的吸附能力可达9.29mg/g。马等将聚偕胺肟分散到聚丙烯酰胺中，形成了具有半互穿网络的水凝胶膜，利用水凝胶的亲水性加快铀酰根离子的迁移速率，从而达到了提高吸铀能力的目的。但是，偕胺肟基吸附剂在水体中经常会被破坏，无法长期使用，尤其是在复杂恶劣的海洋环境中。不但波涛和洋流会撕裂材料，水中大量的细菌和微生物也会附着在材料表面造成吸铀能力下降，所以我们需要材料具有高力学性能和广谱抗菌性。尽管目前已经开发出了一些具有良好的机械强度或者表现出了良好的抗菌性的偕胺肟基吸附剂，但是设计一种同时具有优异的力学性能和抗菌性的高效的偕胺肟基吸附剂仍然是一个挑战。
技术实现思路
针对现有技术中偕胺肟基吸附材料在使用过程中存在的缺陷，本专利技术的第一个目的是在于提供一种具有高吸铀能力，同时还具有优秀的力学性能和广谱抗菌性的偕胺肟基膜材料，该复合膜材料可以用于从海水或含铀废水中长期、高效地富集回收铀。本专利技术的第二个目的是在于提供一种操作简单、条件温和、低成本制备所述抗菌高强度超薄复合膜材料的方法。本专利技术的第三个目的是在于提供一种抗菌高强度超薄复合膜材料的应用，作为吸附材料应用于海水或含铀废水中铀富集，该复合膜材料亲水性好，具有较高的机械强度，切具有良好的广谱抗菌性能，对天然海水的吸铀能力较高，可以长期循环使用并保持良好的铀吸收性能，可以用于从海水或含铀废水中长期、高效地富集回收铀。为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种抗菌高强度超薄复合膜材料，其由PAO功能材料分散固定在由磺化纤维素纳米晶和壳聚糖季铵盐形成的交联网络中构成。本专利技术的复合膜材料由PAO功能材料分散固定在由磺化纤维素纳米晶和壳聚糖季铵盐形成的交联网络中构成，PAO主要利用超分子力作用，被稳定固定在由磺化纤维素纳米晶和壳聚糖季铵盐组成的交联网络中，赋予了复合膜材料优异的铀吸附功能；纤维素纳米晶是从天然纤维中提取出得到的纳米级的纤维素磺化得到，它不仅具有高机械性能，还具有生物相容性，可再生性等环境友好特性，将其引入复合膜材料，大大提高了复合膜材料的力学性能，能使多孔膜具有了18.7MPa的机械强度；而经过磺化处理后的磺化纤维素纳米晶具有超强的亲水性，超亲水性使得铀酰根离子更容易进入膜内部并扩散。目前主要的抗菌策略是将有抗菌效果的纳米颗粒比如银、铜和二氧化钛附着在吸附剂表面，但是这些抗菌纳米颗粒会在使用中逐渐脱落从而使吸附剂无法长久保持抗菌效果，并且脱落的纳米颗粒会造成重金属污染和一些未知的生态威胁；而本专利技术利用壳聚糖季铵盐来制备复合膜材料，其抗菌性能优于壳聚糖及其它壳聚糖衍生物且同样具有生物相容性好的环境友好特性；壳聚糖季铵盐的广谱抗菌性可以抑制大部分细菌的生长从而减轻生物污损，使得实际使用中吸附剂可以长期保持高吸铀能力，从而复合膜材料在海水吸铀和处理含铀废水中得到实际应用。作为一个优选的技术方案，PAO、磺化纤维素纳米晶与壳聚糖季铵盐的质量比为15～20：1～6：1～5。PAO、磺化纤维素纳米晶与壳聚糖季铵盐的质量比最优选为17～18：2～4：2～3，当PAO与壳聚糖季铵盐的质量比例为17.5：2.5左右时，材料已经具有可观的抑菌率，继续提高壳聚糖季铵盐的比例，抑菌率没有明显上升，而吸铀性能则出现下降。材料的吸铀性能随着纤维素纳米晶的加入量的增加而提升，当PAO/纤维素纳米晶＝17.5:3时，吸铀性能达到峰值，继续提高纤维素纳米晶的比例则会出现吸铀性能下降，因此，应当控制PAO、磺化纤维素纳米晶与壳聚糖季铵盐的比例在适当的范围内，才能获得综合性能优异的复合膜材料。作为一个优选的技术方案，所述复合膜材料的厚度为5～15微米，一般来说膜材料的厚度通常来说是越薄越有利于铀离子的渗入，有利于提高单位质量的吸铀量，但在应用过程中过薄的膜材料会由于力学强度不足而破裂，因此现有技术难以获得厚度约为10微米的复合膜材料。本专利技术是在大幅度提高复合膜的力学性能的基础上，可以把厚度控制在10微米，在保持材料完整的情况下最大限度提高吸铀性能。本专利技术还提供了一种抗菌高强度超薄复合膜材料的制备方法，该方法是将PAO溶液与磺化纤维素纳米晶溶液混合后，再依次加入湿强剂和壳聚糖季铵盐溶液震荡混合，得到前驱体溶液；将前驱体溶液通过注模、干燥成型，即得。作为一个优选的技术方案，所述湿强剂为聚酰胺环氧氯丙烷树脂，简称PAE，湿强剂的作用是提高含有纤维素的材料的力学性能，湿强剂会与纤维素交联成网络，或者是促进纤维素本身交联成网络本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗菌高强度超薄复合膜材料，其特征在于：由PAO功能材料分散固定在由磺化纤维素纳米晶和壳聚糖季铵盐形成的交联网络中构成。/n

【技术特征摘要】
20201028 CN 202011172212X1.一种抗菌高强度超薄复合膜材料，其特征在于：由PAO功能材料分散固定在由磺化纤维素纳米晶和壳聚糖季铵盐形成的交联网络中构成。


2.根据权利要求1所述的一种抗菌高强度超薄复合膜材料，其特征在于：PAO、磺化纤维素纳米晶与壳聚糖季铵盐的质量比为15～20：1～6：1～5。


3.根据权利要求1所述的一种抗菌高强度超薄复合膜材料，其特征在于：所述复合膜材料的厚度为5～15微米。


4.权利要求1～3任一项所述一种抗菌高强度超薄复合膜材料的制备方法，其特征在于：将PAO溶液与磺化纤维素纳米晶溶液混合后，再依次加入湿强剂和壳聚糖季铵盐溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：马春新，孙烨，王宁，温顺喜，王佳文，陈琳，
申请(专利权)人：海南大学，
类型：发明
国别省市：海南;46