一种海水淡化-提铀联产半导体光还原膜及其制备方法技术

一种海水淡化

【技术实现步骤摘要】
一种海水淡化
‑
提铀联产半导体光还原膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及海水提铀材料领域，具体涉及一种海水淡化
‑
提铀联产半导体光还原膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，为了有效缓解水资源短缺危机，世界各地逐年投入巨资建设万吨级、乃至十万吨级的海水淡化项目，但与此同时也副产了大量的淡化后经过浓缩的海水，这些浓缩的海水中大量的资源被富集，铀元素就是其中之一。由于目前经济、技术等方面的制约，这些富含大量资源的浓海水往往被直接排放入海。在浪费宝贵资源的同时，也对近海环境造成了一定污染。
[0003]我国陆地铀矿资源匮乏，海水中铀资源储量巨大，海水提铀被认为是实现我国核能的可持续发展重要途径。海水淡化与海水提铀联产可以有效降低相关设备及动力工程成本，提高海水提铀效率，推进海水提铀产业化进程。首先，利用海水淡化动力系统提高吸附过程外部迁移速率。其次，利用海水淡化预处理系统，去除相应干扰成分，间接提高吸附选择性效果。再次，海水提铀
‑
海水淡化联产，减少吸附剂投放费用。同时降低海洋生物污损，提高材料的循环使用效率，间接降低制造费用。
[0004]尽管海水淡化
‑
提铀联产在吸附效率、提取成本方面具有明显优势，但是传统的吸附提铀方式在海水淡化
‑
提铀联产领域应用却存在诸多限制。
[0005]吸附容量限制：通常以材料吸附活性位点数量决定了吸附容量作。近年来，吸附材料不断涌现，但吸附材料的吸附容量难以显著提升。其根本原因在于吸附材料在吸附过程中活性位点无法再生，难以循环利用。在海水淡化
‑
提铀联产过程中，每日需要处理的海水数量巨大，较低的吸附容量难以满足联产的实际需求。
[0006]吸附速率限制：海水淡化
‑
提铀联产中，除了需要吸附材料要具有较高的吸附容量协调二者的处理能力外，还需要吸附材料具有较高的吸附速率，使得二者处理速率相协调,满足联产的相关要求。海水提铀过程铀酰离子需经历外部迁移、液膜迁移、内部迁移和吸附反应。而且吸附是一个动态过程，达到吸附平衡吸附时间较长。因此，常规的吸附过程，难以实现其与海水淡化同步，满足实际联产需要。
[0007]吸附选择性限制：海水成分复杂，存在众多诸如Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Fe3+等竞争离子，这对吸附材料的设计与应用都是巨大的挑战。竞争离子问题在海水淡化
‑
提铀联产应用中展现的尤为突出。海水淡化
‑
提铀联产不但可以通过淡化过程对铀离子进行浓缩至天然海水中浓度的1.5
‑
3倍，同时也将众多竞争离子浓度同比例增加。由于与竞争离子相比，铀离子的含量低，所以浓缩后的单位体积的海水中，竞争离子的数量增加更多，因此在海水提铀
‑
海水淡化联产过程中，对吸附材料选择性提出更高的要求。
[0008]污染物粘附：尽管一系列严格的预处理过程可为海水提铀提供一个清洁稳定的提取环境。但是长期在淡化后经过浓缩的海水中浸泡，材料表面也会附着相应的有机物、细菌、微生物等污染物，严重影响吸附效果。
[0009]半导体光催化还原材料有别于吸附法的铀提取原理，可以有效解决上述部分问题。
[0010]首先，铀提取与材料再生同步，从本质上提高吸附容量。区别于传统吸附法通过与铀酰离子配位进行铀提取，半导体光催化材料利用光照使价带电子跃迁至导带将铀酰离子还原为难溶的二氧化铀从水中析出，进一步与材料表面活性位点脱离，重新暴露出来的活性位点可继续进行还原反应。这种提取方式从根本上解决了吸附的铀酰离子占据吸附位点所造成的吸附容量上限的问题。
[0011]其次，铀提取机制的差异性，破解选择性的难题。一方面光催化还原机理决定了该方法只能对具有还原性金属阳离子进行处理；另一方面还原的二氧化铀具有难溶性，从溶液中析出实现对于溶液中铀的提取。因此利用光催化法还原铀需满足上述两项条件才能构成竞争离子，因此光催化还原的特异选择特性。
[0012]再次，正如上述所说的光催化铀还原机理，光催化还原不存在吸附
‑
解吸平衡过程，提高铀提取效率。
[0013]尽管光催化还原铀在一定程度上解决了吸附容量、速率、选择性等相关问题，但是海水淡化
‑
提铀联产过程中以下技术问题难以解决。
[0014]1. 产业化应用过程中，难以有效抑制光生电子和空穴复合。光照条件下激发至导带中的电子向价带中未填满的空穴跃迁，同时放出光子，从而发生电子与空穴的复合，失去还原功能。现有研究中，抑制光生电子
‑
空穴复合的方式主要包括：采用纳米材料减短电子还原传输路程和多元半导体材料复合形成异质结构。
[0015]首先，半导体光催化材料的粒径细化不仅能增加比表面积和反应活性位点，而且更重要的是带隙变宽会导致光生电子和空穴分别具有更高的负电势和正电势，使得它们的还原氧化能力增强，最终取得更为优异的光催化活性。然而，纳米材料制备工艺复杂条件苛刻，难以大批量产业化生产。
[0016]其次，异质结难以构筑。异质结不是两种材料复合、甚至是混合，而是两种材料晶面的相互衔接。纳米材料异质结不但可以获得大的比表面积，而且可以有效地提升电子迁移率、提高量子产率和有效地电子空穴快速复合，因此其光催化性能得以有效提升，然而纳米材料抑制的构筑一直难以实现产业化。
[0017]光催化剂还原电位和电荷传输能力有待进一步提升。针对光催化在铀还原领域应用，光催化剂需具有合适的带系宽度和足够的还原电位。
[0018]首先，催化材料的还原电位高于铀的还原电位是实现铀离子还原的前提，同时较高的还原电位意味着更强的还原性能及还原驱动力。现有的常用半导体光催化剂中还原电位高于铀的还原电位较少，因此常规提升半导体材料可作为还原铀光催化材料数量有限，且还原电位有待进一步提升。
[0019]其次，合适的带系宽度意味着存在着光生电子和空穴复合问题。因此，更低的电子传输阻力也有利于避免光生电子
‑
空穴复合。相似的常用半导体光催化剂电子传输能力是一定的，现有技术手段难以调整电子传输能力。
[0020]光催化海水提铀的核心技术难题是还原产物二氧化铀与吸附材料无法实现分离。 大量研究表明还原产物二氧化铀并不稳定，其容易被氧化成铀酰离子溶解到海水中。由于海水中铀含量极低，因此提取过程是一个较长的周期，在这个过程中二氧化铀与催化剂相
分离，缺少光电子的持续供及，其会进一步发生氧化成铀酰离子溶解到海水中从而失去提铀功能。因此需要不断的将还原产物二氧化铀分离出来，避免其氧化后溶于海水中。然而现有光催化材料主要为粉体材料，光催化还原后溶液中析出的难溶性二氧化铀从材料表面脱离，在水流的冲刷搅拌下二氧化铀与光催化材料均匀混合难通过现有手段将二氧化铀分离出来。

技术实现思路

[0021]基于现有技术所存在的问题，本专利技术提供了一种海水淡化
‑<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海水淡化
‑
提铀联产半导体光还原膜制备方法，该方法包括如下步骤：步骤1：基材表面清洁：将15
×
15
×
2mm的基材进行表面光滑处理，处理后基材依次置于丙酮超声处理0.5h；乙醇超声处理0.5 h，去除表面有机物；再用去离子水超声处理0.5 h，除去灰尘等杂质；超声后至于空气中干燥待用；步骤2：将处理后的基材置于溅射室内；安装纯度为99.99%钛靶，并将溅射室进行抽真空至10
‑
5mbar； 设置直流溅射模式，恒定功率150
‑
300W；采用氩气与氧气混合气体注入溅射室，氩气和氧气流量分别为10
‑
20sccm和1
‑
5sccm，保持溅射室内总压力为2
×
10
‑3mbar，设置
‑
60至
‑
200V偏压，进行磁控溅射1
‑
2h，制备得超薄TiO2膜；步骤3：待溅射完毕关闭溅射系统，高真空条件下静置至2
‑
4h。2.如权利要求1所述一种海水淡化
‑
提铀联产半导体光还原膜制备方法，其特征在于所述基材为铜片或铁片。3.如权利要求1所述一种海水淡化
‑
提铀联产半导体光还原膜制备方法，其特征在于所述基材为FTO。4.如权利要求3所述一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：王君，刘宁，李茹民，张宏森，刘琦，朱佳慧，刘婧媛，陈蓉蓉，于静，孙高辉，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：