本发明专利技术涉及双官能团功能化磁性炭基介孔氧化硅材料的制备方法及其在含铀废水处理中的应用。具体是以啤酒酵母菌为生物大孔模板、以三嵌段聚合物P123为介孔相模板，采用双模板法制备介孔氧化硅SBA-15。再以介孔氧化硅SBA-15为模板，采用纳米浇筑技术在硬模板中分别填入不同质量比的铁源和炭源作为前驱物，经过原位聚合反应，制备合成介孔结构有序的磁性炭基介孔氧化硅。为了扩展磁性炭基介孔氧化硅材料的应用范围，使用[3-(三甲氧基硅烷)丙基]脲（UPTS）和氨丙基三乙氧基硅烷（APS）有机试剂对其表面的Si-OH进行后嫁接改性，使其具有吸附和配位反应双重功能。本发明专利技术所得的双官能团功能化磁性炭基介孔氧化硅材料介孔孔道规整有序，比表面积大，在铀矿冶含铀废水处理和铀回收等方面具有十分重要的实践意义。
【技术实现步骤摘要】
双官能团功能化炭基磁性介孔氧化硅材料的制备及其应用
本专利技术属于资源利用与环境保护领域，特别涉及双官能团功能化磁性炭基介孔氧化硅材料的制备及其应用。
技术介绍
与传统的微孔材料相比，介孔材料具有允许分子进入的孔径较大、比表面积高和吸附容量大等特点，在催化、吸附和分离、新型材料组装、生物和医药等方面具有广阔的应用前景，特别是利用介孔材料较强的吸附能力、良好的化学稳定性和吸附选择性，可以达到对一些重金属离子的去除和分离的目的。在介孔家族中，介孔氧化硅材料由于合成方法简单、比表面积高，具有很好的化学稳定性和热稳定性，并且耐酸和耐辐照，更加适合在铀矿冶含铀废水等强辐照酸性环境中使用。近些年来，已有不少学者将介孔氧化硅材料应用于放射性废液的处理和核环境污染治理，并显示了较好的应用前景。炭与介孔氧化硅材料均能吸附含铀废水中铀酰离子等重金属离子，但是炭材料具有微孔、介孔和大孔，孔径分布很广，对某种离子的专一吸附性较差，其吸附性能与再生性能都较低。同时，炭材料只有少量的介孔和大孔材料能较好地吸附铀酰离子，对于微孔炭材料，虽然具有较高的比面积，但是其孔道不规则，局部容易聚集而导致孔道变窄甚至堵塞孔道的缺陷，从而影响其对铀酰离子的吸附效果。而介孔二氧化硅材料由于本身并不具有活性中心，导致在铀矿冶含铀废水处理应用中受到很较大的限制，影响其吸附的选择性能。炭基介孔氧化硅材料结合了传统的活性炭与介孔材料的优点，相比介孔氧化硅材料而言，其孔道表面具有像活性炭一样的丰富的功能基团(如含氢氧官能团)，而且具有较好的水热稳定性能，便于其在水溶液中目标离子的有效吸附。相比活性炭而言，炭基介孔氧化硅材料具有较大的介孔孔体积和均一的介孔孔径，因而赋予其对目标离子的专一吸附性能(选择性吸附性能)和高吸附容量。现有的介孔氧化硅材料合成方法分为软模板和硬模板法，归纳起来主要有两大途径，即采用表面活性剂为模板的途径和采用非表面活性剂(如淀粉、糖类等)为模板的另一新途径。但是，上述单一途径均有缺陷，如采用阳离子型表面活性剂作为模板，所得的介孔氧化硅材料介孔孔径相对较小；采用非离子表面活性剂作为模板，所得的介孔氧化硅材料孔径分布相对较宽，孔径相对较大但介孔规整有序性较低；而采用非表面活性剂为模板时，孔道结构通常不具有有序化。同时，无论是软模板还是硬模板，传统的单模板制备法有着不同的缺点，如对溶液环境(离子强度、PH值和温度等)非常敏感，需要对其合成条件进行严格的控制。因此，进一步寻求模板廉价、反应温和、操作简易、环境友好的合成路线意义重大。本专利技术采用双模板法，以啤酒酵母菌为生物大孔模板、以三嵌段聚合物P123为介孔相模板，制备合成介孔氧化硅SBA-15。磁性炭基介孔氧化硅材料也参照类似硬模板合成法，即以介孔氧化硅为硬模板，通过纳米浇筑技术在硬模板中分别填入不同质量比的铁源和炭源作为前驱物，经过原位聚合反应所获得。为了扩展磁性炭基介孔氧化硅材料的应用范围，将其更加有效地应用于铀矿冶含铀废水处理中，本专利技术使用[3_(三甲氧基硅烷)丙基]脲(UPTS)和氨丙基三乙氧基硅烷(APS)有机试剂对其表面的S1-OH进行后嫁接改性，使其具有吸附和配位反应双重功能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种模板廉价、反应温和、操作简易、环境友好的制备双官能团功能化磁性炭基介孔氧化硅材料的制备新方法及其在含铀废水处理中的应用，具体是以啤酒酵母菌为生物大孔模板、以三嵌段聚合物P123为介孔相模板，采用双模板法制备介孔氧化硅SBA-15。再以介孔氧化硅SBA-15为模板，采用纳米浇筑技术在硬模板中分别填入不同质量比的铁源和炭源作为前驱物，经过原位聚合反应，制备合成介孔结构有序的磁性炭基介孔氧化硅。为了扩展磁性炭基介孔氧化硅材料的应用范围，使用[3-(三甲氧基硅烷)丙基]脲(UPTS)和氨丙基三乙氧基硅烷(APS)有机试剂对其表面的S1-OH进行后嫁接改性，使其具有吸附和配位反应双重功能。本专利技术并将制备合成的双官能团功能化磁性炭基介孔氧化硅材料应用于含铀废水的吸附应用中，并通过调节铀标准溶液的浓度、溶液的pH值和双官能团功能化磁性炭基介孔氧化硅材料的投入量等因素，考察磁性双官能团功能化磁性炭基介孔氧化硅材料对含铀废水中铀的吸附效果。具体步骤如下: (I)双模板制备介孔氧化硅SBA-15 称取一定质量所采集的啤酒酵母废弃菌丝体，经过80 °(:高温灭菌100 min后，使用蒸馏水和无水乙醇清洗3次，将所得啤酒酵母菌菌体分散在装有100 mL蒸馏水的250 mL烧杯中。然后将10 mL质量浓度为35%浓盐酸加入烧杯中，并向其中加入一定质量的三嵌段聚合物P123 (即为聚环氧乙烯醚一聚环氧丙烯醚一聚环氧乙烯醚)，在30 °C恒温水浴下磁力搅拌直至P123完全溶解盐酸溶液中。随后往其中加入6.5 g TEOS (正硅酸乙酯)，在45 °C恒温水浴下继续磁力搅拌1.5 h，此时烧杯出现了大量的乳白色沉淀。然后将烧杯放入30°C的恒温鼓风干燥箱中继续反应12 h。再将悬浮液转移至聚四氟乙烯反应釜中反应2.0h，随后在60 °(:的恒温鼓风干燥箱中继续老化48 h。取出后减压过滤，使用蒸馏水和无水乙醇将所得到的沉淀各洗涤3次，将乳白色沉淀在60 0C的恒温鼓风干燥箱中继续干燥15 h，然后将干燥后得到的乳白色粉末置于540°C的马弗炉中焙烧6.0h，去除模板即得到介孔氧化娃SBA-15ο(2)磁性炭基介孔氧化硅的制备 将可溶性三价铁盐与糖类按照一定质量比，放入装有100 mL蒸馏水的250 mL三口瓶中，随后加入20 g无水乙醇溶液进行超声分散2.5 h，并使用浓度为25%的氨水调节溶液的PH值为9.0，在超声分散过程中加入1.25 g介孔氧化硅SBA-15。调节混合溶液的温度为80 °C，控制反应时间为6 h，然后将反应混合溶液经过10000 r/min的离心机进行离心分离10 min，随后使用蒸馏水洗涤6次，再将所得的固体样置于50°C恒温鼓风干燥箱中烘干，研磨得到初产物。使用质量浓度10%氢氟酸作为刻蚀剂，对初产物进行刻蚀除去介孔氧化硅模板，即得磁性炭基介孔氧化硅。(3)磁性炭基介孔氧化硅的有机功能化改性将3.0 g磁性炭基介孔氧化娃悬浮于100 mL甲苯溶液中，然后装于500 mL三口烧杯中，随后加入50 mL无水乙醇和质量浓度为35%浓盐酸进行超声分散，充分搅拌2.5h。再将一定质量比的质量浓度为20%UPTS溶液和质量浓度为50%APS溶液缓慢加入三口烧瓶中，充分搅拌2.0h，水浴加热至100 °C，使甲苯溶液回流5.0 h，冷却至室温，减压过滤，使用蒸馏水和无水乙醇将沉淀洗涤各3次，在60 0C的恒温鼓风干燥箱中进行烘干12h，即可得到双官能团功能化磁性炭基介孔氧化娃材料。(4)双官能团功能化磁性炭基介孔氧化硅材料对铀的吸附 量取50 mL不同浓度的铀标准溶液，150 mL圆底烧瓶中，随后加入一定量的双官能团功能化磁性炭基介孔氧化硅材料，使用浓度为0.lmol/L的HCl和NaOH溶液调节溶液pH值，在室温下磁力搅拌3.0 h。待吸附反应完成后，使用10000 r/min的离心机进行分离10 min,取上清液并采用三氯化钛还原/钒酸铵氧化滴定法测定铀的本文档来自技高网...
【技术保护点】
双官能团功能化磁性炭基介孔氧化硅材料的制备，其特征在于，首先采用双模板法，以啤酒酵母菌为生物大孔模板、以三嵌段聚合物P123为介孔相模板，制备合成介孔氧化硅SBA‑15，再以SBA‑15为硬模板，采用纳米浇筑技术在硬模板中分别填入铁源和炭源作为前驱物，经过原位聚合反应，然后再使用氢氟酸作为刻蚀剂除去模板，制备合成介孔结构有序的磁性炭基介孔氧化硅，再使用3‑三甲氧基硅烷丙基脲和氨丙基三乙氧基硅烷有机试剂，采用后嫁接法对其进行有机功能化改性，即可得到双官能团功能化磁性炭基介孔氧化硅材料，具体步骤如下：（1）双模板制备介孔氧化硅SBA‑15 称取一定质量的啤酒酵母废弃菌丝体，经过80 oC高温灭菌100 min后，使用蒸馏水和无水乙醇清洗3次，将所得啤酒酵母菌菌体分散在装有100 mL蒸馏水的250 mL烧杯中，然后将10 mL质量浓度为35% 浓盐酸加入烧杯中，并向其中加入三嵌段聚合物P123，在30 oC恒温水浴下磁力搅拌直至P123完全溶解盐酸溶液中，随后往其中加入6.5 g正硅酸乙酯，在45 oC恒温水浴下继续磁力搅拌1.5 h，此时烧杯出现了大量的乳白色沉淀，然后将烧杯放入30oC的恒温鼓风干燥箱中继续反应12 h，再将悬浮液转移至聚四氟乙烯反应釜中反应2.0 h，随后在60 oC的恒温鼓风干燥箱中继续老化48 h，取出后减压过滤，使用蒸馏水和无水乙醇将所得到的沉淀各洗涤3次，将乳白色沉淀在60 oC的恒温鼓风干燥箱中继续干燥15 h，然后将干燥后得到的乳白色粉末置于540oC的马弗炉中焙烧6.0h，去除模板即得到介孔氧化硅SBA‑15；（2）磁性炭基介孔氧化硅的制备将可溶性三价铁盐与糖类放入装有100 mL蒸馏水的250 mL三口瓶中，随后加入20 g 无水乙醇溶液进行超声分散2.5 h，并使用浓度为25%的氨水调节溶液的pH值为9.0，在超声分散过程中加入1.25 g经过高温煅烧的介孔氧化硅SBA‑15，调节混合溶液的温度为80 oC，控制反应时间为6 h，然后将反应混合溶液经过10000 r/min的离心机进行离心分离10 min，随后使用蒸馏水洗涤6次，再将所得的固体样置于50oC恒温鼓风干燥箱中烘干，研磨得到初产物，使用质量浓度10% 氢氟酸作为刻蚀剂，对初产物进行刻蚀除去介孔氧化硅模板，即得磁性炭基介孔氧化硅；（3）磁性炭基介孔氧化硅的有机功能化改性将3.0 g磁性炭基介孔氧化硅悬浮于100 mL甲苯溶液中，然后装于500 mL三口烧杯中，随后加入50 mL无水乙醇和质量浓度为35% 浓盐酸进行超声分散，充分搅拌2.5h，再将质量浓度为20%UPTS溶液和质量浓度为50%APS溶液缓慢加入三口烧瓶中，充分搅拌2.0h，水浴加热至100 oC，使甲苯溶液回流5.0 h，冷却至室温，减压过滤，使用蒸馏水和无水乙醇将沉淀洗涤各3次，在60 oC的恒温鼓风干燥箱中进行烘干12h，即可得到双官能团功能化磁性炭基介孔氧化硅材料。...
【技术特征摘要】
1.双官能团功能化磁性炭基介孔氧化硅材料的制备，其特征在于，首先采用双模板法，以啤酒酵母菌为生物大孔模板、以三嵌段聚合物P123为介孔相模板，制备合成介孔氧化硅SBA-15，再以SBA-15为硬模板，采用纳米浇筑技术在硬模板中分别填入铁源和炭源作为前驱物，经过原位聚合反应，然后再使用氢氟酸作为刻蚀剂除去模板，制备合成介孔结构有序的磁性炭基介孔氧化硅，再使用3-三甲氧基硅烷丙基脲和氨丙基三乙氧基硅烷有机试剂，采用后嫁接法对其进行有机功能化改性，即可得到双官能团功能化磁性炭基介孔氧化硅材料， 具体步骤如下: (1)双模板制备介孔氧化硅SBA-15 称取一定质量的啤酒酵母废弃菌丝体，经过80 0C高温灭菌100 min后，使用蒸馏水和无水乙醇清洗3次，将所得啤酒酵母菌菌体分散在装有100 mL蒸馏水的250 mL烧杯中，然后将10 mL质量浓度为35%浓盐酸加入烧杯中，并向其中加入三嵌段聚合物P123，在30 0C恒温水浴下磁力搅拌直至P123完全溶解盐酸溶液中，随后往其中加入6.5 g正硅酸乙酯，在45 °C恒温水浴 下继续磁力搅拌1.5 h，此时烧杯出现了大量的乳白色沉淀，然后将烧杯放入30°C的恒温鼓风干燥箱中继续反应12 h，再将悬浮液转移至聚四氟乙烯反应釜中反应2.0h，随后在60 °(:的恒温鼓风干燥箱中继续老化48 h，取出后减压过滤，使用蒸馏水和无水乙醇将所得到的沉淀各洗涤3次，将乳白色沉淀在60 0C的恒温鼓风干燥箱中继续干燥15 h，然后将干燥后得到的乳白色粉末置于540°C的马弗炉中焙烧6.0h，去除模板即得到介孔氧化娃SBA-15 ； (2)磁性炭基介孔氧化硅的制备 将可溶性三价铁盐与糖类放入装有100 mL蒸馏水的250 mL三口瓶中，随后加入20 g无水乙醇溶液进行超声分散2.5 h，并使用浓度为25%的氨水调节溶液的pH值为9.0，在超声分散过程中加入1.25 g经过高温煅烧的介孔氧化硅SBA-15，调节混合溶液的温度为80°C，控制反应时间为6 h，然后将反应混合溶液经过10000 r/min的离心机进行离心分离10min,随后使用蒸馏水洗涤6次，再将所得的固体样置于50°C恒温鼓风干燥箱中烘干，研磨得到初产物，使用质量浓度10%氢氟酸作为刻蚀剂，对初产物进行刻蚀除去介孔氧化硅模板，即得磁性炭基介孔氧化硅； (3 )磁性炭基介孔氧化硅的有机功能...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁德馨，彭国文，肖方竹，张志军，胡南，王永东，王晓亮，黄红，杨锦然，
申请(专利权)人：南华大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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