一种超分子自组装的铀吸附剂及其制备方法和应用

本发明属于吸附剂，具体涉及一种超分子自组装的铀吸附剂及其制备方法和。

背景技术：

1、核能作为一种低碳排放的清洁能源，是人类应对气候变化的重要能源选择。其中，铀是核能生产中最关键的元素，然而，常规储备的铀资源将在不到一个世纪的时间内被全球消耗殆尽。此外，从陆地矿石中开采铀的成本效益较低，并将对环境造成巨大破坏。因此，考虑到当前和未来对铀资源的需求和环境保护的要求，在过去几十年中，人们开发了很多方法从海水中捕获铀和从废水中去除铀。然而，由于铀的浓度极低以及大量竞争离子的共存，选择性提取铀仍然极具挑战性。

2、目前，已开发了各种方法从海水中回收铀或从核废水中去除铀。在这些方法中，吸附法由于其操作简单、应用条件简单和成本效益高而被广泛应用，并在铀分离回收方面取得了巨大进展。目前为止，已经探索了各种新型的铀吸附材料，包括合成有机聚合物、有机-无机框架、肽水凝胶和其他材料。根据软硬酸碱理论，铀酰离子被认为是路易斯硬酸，通常可以与磷酸基团形成强配位键，磷酸基团是赋予生物成因材料对铀吸附能力的主要基团之一。目前，基于磷酸基团的这一特性，已经开发出各种磷酸功能化吸附剂，并对铀酰离子表现出更快的吸附动力学。然而，它们苛刻的合成反应条件和高昂的成本阻碍了吸附剂的大规模生产和铀提取应用。

3、因此，开发一种具有高吸附容量、高选择性、高吸附速率并且成本低、制备工艺简单的铀吸附剂，具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超分子自组装的铀吸附剂及其制备方法和应用，所述铀吸附剂的制备原料包括三聚氰胺、三聚氰酸和磷酸三聚氰胺，所述铀吸附剂具有高吸附容量、快速吸附动力学和较高的选择性的优势，并且合成原料价格低廉、制备工艺简单。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种超分子自组装的铀吸附剂，所述铀吸附剂的制备原料包括三聚氰胺、三聚氰酸和磷酸三聚氰胺。

4、本发明提供的超分子自组装的铀吸附剂的制备原料包括三聚氰胺、三聚氰酸和磷酸三聚氰胺；其中，三聚氰胺和三聚氰酸可以通过面内氢键作用和面外π-π相互作用自组装成有机超分子结构，但是上述有机超分子结构缺乏功能性螯合铀酰离子的活性位点，考虑到磷酸三聚氰胺不仅具有能形成多重氢键的三嗪环，还具有功能磷酸基团；进而本发明选择三聚氰胺、三聚氰酸和磷酸三聚氰胺进行超分子自组装，形成了磷酸功能化的超分子有机材料，用于选择性地吸附分离铀，且具有吸附容量高、吸附动力学速率快和选择性高的优势。

5、优选地，所述三聚氰胺、三聚氰酸和磷酸三聚氰胺的摩尔比为1:(0.5～2):(1～2)。

6、其中，所述三聚氰胺和三聚氰酸的摩尔比为1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9、1:1、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.6或1:1.8等。

7、所述三聚氰胺和磷酸三聚氰胺的摩尔比为1:1、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8、1:1.9或1:2.0等。

8、第二方面，本发明提供一种如第一方面所述铀吸附剂的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

9、(1)将三聚氰胺和磷酸三聚氰胺溶解在有机溶剂中，得到混合溶液；将三聚氰酸溶解在有机溶剂中，得到三聚氰酸溶液；

10、(2)将步骤(1)得到的混合溶液和三聚氰酸溶液进行反应，得到所述铀吸附剂。

11、优选地，步骤(1)所述有机溶剂包括二甲基亚砜。

12、优选地，以步骤(1)所述混合溶液的体积为1ml计，所述三聚氰胺的摩尔数为0.1～0.3mmol，例如0.12mmol、0.14mmol、0.16mmol、0.18mmol、0.2mmol、0.22mmol、0.24mmol、0.26mmol或0.28mmol等。

13、优选地，以步骤(1)所述混合溶液的体积为1ml计，所述磷酸三聚氰胺的摩尔数为0.1～0.3mmol，例如0.12mmol、0.14mmol、0.16mmol、0.18mmol、0.2mmol、0.22mmol、0.24mmol、0.26mmol或0.28mmol等。

14、优选地，以步骤(1)所述三聚氰酸溶液的体积为1ml计，所述三聚氰酸的摩尔数为0.2～0.4mmol，例如0.22mmol、0.24mmol、0.26mmol、0.28mmol、0.3mmol、0.32mmol、0.34mmol、0.36mmol或0.38mmol等。

15、优选地，步骤(2)所述反应的温度为25～30℃，例如25.5℃、26℃、26.5℃、27℃、27.5℃、28℃、28.5℃、29℃或29.5℃等。

16、优选地，步骤(2)所述反应的时间为10～30min，例如12min、14min、16min、18min、20min、22min、24min、26min或28min等。

17、优选地，步骤(2)所述反应在搅拌的条件下进行。

18、优选地，所述搅拌的转速为400～550r/min，例如420r/min、440r/min、460r/min、480r/min、500r/min、520r/min或540r/min等。

19、优选地，步骤(2)所述反应结束后还包括离心、洗涤和干燥的步骤。

20、优选地，所述洗涤包括无水乙醇洗涤。

21、优选地，所述干燥的温度为65～100℃，例如70℃、75℃、80℃、85℃、90℃或95℃等。

22、作为本发明的优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：

23、(1)将三聚氰胺和磷酸三聚氰胺溶解在有机溶剂中，得到三聚氰胺的摩尔浓度为0.1～0.3mmol/ml、磷酸三聚氰胺的摩尔浓度为0.1～0.3mmol/ml的混合溶液；将三聚氰酸溶解在有机溶剂中，得到三聚氰酸的摩尔浓度为0.2～0.4mmol/ml的三聚氰酸溶液；

24、(2)将步骤(1)得到的混合溶液和三聚氰酸溶液在温度为25～30℃、搅拌转速为400～550r/min的条件下反应10～30min，经离心、无水乙醇洗涤和65～100℃干燥，得到所述铀吸附剂。

25、第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的铀吸附剂在海水提铀中的应用。

26、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

27、本发明提供的超分子自组装的铀吸附剂的制备原料包括三聚氰胺、三聚氰酸和磷酸三聚氰胺，所述铀吸附剂具有高吸附容量和快速吸附动力学，在多种竞争离子存在时，对铀酰离子表现出较高的选择性，适合在海水提铀中应用。

技术特征：

1.一种超分子自组装的铀吸附剂，其特征在于，所述铀吸附剂的制备原料包括三聚氰胺、三聚氰酸和磷酸三聚氰胺。

2.根据权利要求1所述的铀吸附剂，其特征在于，所述三聚氰胺、三聚氰酸和磷酸三聚氰胺的摩尔比为1:(0.5～2):(1～2)。

3.一种如权利要求1或2所述铀吸附剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述有机溶剂包括二甲基亚砜。

5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，以步骤(1)所述混合溶液的体积为1ml计，所述三聚氰胺的摩尔数为0.1～0.3mmol；

6.根据权利要求3～5任一项所述的制备方法，其特征在于，以步骤(1)所述三聚氰酸溶液的体积为1ml计，所述三聚氰酸的摩尔数为0.2～0.4mmol。

7.根据权利要求3～6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述反应的温度为25～30℃；

8.根据权利要求3～7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述反应在搅拌的条件下进行；

9.根据权利要求3～7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述反应结束后还包括离心、洗涤和干燥的步骤；

10.一种如权利要求1或2所述的铀吸附剂在海水提铀中的应用。

技术总结
本发明提供一种超分子自组装的铀吸附剂及其制备方法和应用，所述铀吸附剂的制备原料包括三聚氰胺、三聚氰酸和磷酸三聚氰胺，通过选择三聚氰胺、三聚氰酸和磷酸三聚氰胺这三种物质进行超分子自组装，可以使得到的铀吸附剂具有高吸附量、高吸附速率以及较高的选择性，并且制备原料价格低廉且制备工艺简单，适合在海水提铀中应用。

技术研发人员：杨良嵘,刘亚锋,倪善,邢慧芳
受保护的技术使用者：中国科学院过程工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13