核壳结构磁性聚膦腈纳米微球的可控制备及其对铀的吸附行为研究

In order to overcome the shortcomings of magnetic modification of the composite materials, such as instability in the acidic waste liquid, reduced adsorption capacity after loading Fe3O4, novel core-shell structure nanomaterials with monodispersity, ease of designing, self-assembly properties and selective orientation for uranium are designed and synthesized. The project intends to investigate the self-assembled reaction of polyphosphazene nanospheres with magnetic nanoparticle core through designing the structure of core-shell magnetic polyphosphazene nanospheres, and explore the influence of monomer concentration, reaction temperature, reaction time, ultrasonic power and other reaction conditions to the morphology and structure of the target products, accomplish the controlled synthesis of the size of nano particle, the thickness of polyphosphazene shell and the content of different functional groups. The relevance of magnetic particles types, surface functional groups with adsorption properties is also investigated and the adsorption dynamics and mechanism of magnetic polyphosphazene nanospheres are discussed in-depth. This project could provide experimental data reference and theoretical support for designing an efficient, stable structure, easy to recover and excellent dispersion adsorbents.

本项目针对磁性修饰的复合材料在使用过程中仍面临的在酸性废液中不稳定、负载Fe3O4后吸附容量大大降低等问题，拟采用原位聚合法制备核壳结构的磁性聚膦腈纳米微球，合成具有核壳可设计性、自组装特性且对铀具有定向选择性的核-壳结构纳米材料。本项目拟通过对核壳结构磁性聚膦腈纳米微球的结构设计，研究以磁性粒子为核的聚膦腈纳米微球的自组装反应。探讨单体浓度、反应温度、反应时间和超声功率等条件对目标产物形貌、结构的影响，完成对纳米微球粒径、聚膦腈壳材料厚度、不同表面官能团含量等的可控合成，研究其与吸附性能的关联性，深入探讨磁性聚膦腈纳米微球的吸附动力学和吸附机理。本项目为设计具有高效、稳定结构、优异分散性、易回收且对铀具有高效且特定选择性的的吸附剂提供实验数据参考和理论支撑。

纳米磁材料因其易于快速分离回收、比表面积大、活性高、周期短、准确性高、成本低、操作简便且不受自然温度影响等优点，弥补了传统吸附剂在吸附体系中吸附后无法进行快速固液分离、回收及重复利用的缺陷，使得在处理铀废水时速度快、效率高。本项目采用原位聚合法制备磁性聚膦腈纳米/碳材料的复合材料，利用聚膦腈的多功能性基团，碳材料的大比表面积及磁性材料的易分离特性来实现复合材料在水相中对铀的高效吸附本研究特别筛选出一种对铀具有高吸附容量和高选择性的磁性磷酸化聚膦腈/碳管复合材料（PZS-TPP/CNT/Fe3O4）吸附分离材料，详细考察了其对铀的吸附行为。结果表明PZS-TPP/CNT/Fe3O4为对U(VI)的吸附过程受pH影响，是一个快速、自发、吸热的准二级动力学过程。该吸附符合Langmuir模型，PZS-TPP/CNT/Fe3O4为对铀的最大吸附量为606.6 mg/g，经磷酸功能化后，PZS-TPP/CNT/Fe3O4为对铀的吸附量大大提高。在包含铀在内的6 种金属竞争离子存在的模拟核工业流出物样品中，PZS-TPP/CNT/Fe3O4 对铀的吸附降低较少。此外，吸附-解吸实验和重复利用实验结果表明， 0.5 mol/L 的HNO3 溶液可定量解吸负载在PZS-TPP/CNT/Fe3O4 上的铀， 即使经过5 次吸附-解吸后，PZS-TPP/CNT/Fe3O4 对铀的吸附能力也基本不受影响，说明PZS-TPP/CNT/Fe3O4具有很好的循环利用效果。该项目的研究成果将为纳米材料用于放射性铀的回收、检测及除去奠定理论和实验基础。