一種磷酸鹽功能化微膠囊吸附劑的制備方法及其應用

本發明屬于離子辨識吸附分離功能材料制備，具體涉及一種功能化光熱轉化微膠囊吸附劑的制備方法及其分離應用。

背景技術：

0、技術背景

1、核能是一種清潔、高效的能源，在現代能源系統中占據重要地位。與傳統能源相比，核能具有綠色環保、成本低、發電方式穩定等諸多優勢。然而，核能的快速發展和廣泛應用也帶來了大量的核廢水和廢熱問題。鈾作為核燃料的關鍵元素和核能發電中最重要的能源礦物之一，在軍事工業、醫學應用以及能源等領域發揮著重要的作用。隨著核能技術的不斷進步，對鈾的需求也在不斷增加。核廢水中的鈾存在著競爭離子多、濃度低和存在形式多種多樣等特征，而核廢熱在回收的過程中又極易發生熱損失。因此，制造一種經濟、環保和高效且能高效提鈾，又能儲存核廢料產生的熱量的吸附劑顯得尤為重要。

2、微膠囊型材料具有獨特的核殼結構，核心可以是液體、固體或者氣體，外殼多為有機或無機材料制造的固體，具有核或殼多個材料的多種性能。利用微膠囊結構大比表面積和較快的傳質速率，制備的納米吸附劑在催化、傳感、生物醫藥、分離和純化等領域得到了廣泛應用。然而，傳統的微膠囊吸附劑在處理含有競爭離子且離子濃度較低的廢水時，仍面臨選擇性有待提高的難題。已有文獻報道，通過在微膠囊結構中加入特定的官能團，可以增強對鈾酰離子(uo22+)的親和力，從而實現其選擇性分離。但通常需要通過多步化學修飾工藝將特定功能基團(如脒肟和dna蛋白)結合到基質表面。然而，多步化學修飾過程繁瑣，容易導致底物溶損和位點缺失，不利于大規模生產。一步合成法是一種高效的化學合成方法，它可以通過一次反應將多個反應步驟同時完成，不僅可以提高反應的產率和選擇性，還可以減少廢棄物的產生，從而實現綠色化學合成的目標。然而，僅僅具有鈾離子選擇性的吸附劑還是無法將核廢水中的廢熱利用起來，因此，通過一步法制備既有選擇性且又能利用廢熱的吸附劑仍是一個難點。

3、光熱限域微反應器是一種以混合溶劑誘導生成乳液液滴反應器，并在乳液界面進行光熱轉換聚合的載體。乳液模板是制備限域微反應器的方法之一，可以有效調控微反應器的形貌、結構和限域空間等，并且結合光熱轉換材料(如氧化石墨烯和聚多巴胺)吸收光能然后轉化為熱能的技術，通過光照提高限域微反應器表面局部溫度，提高化學反應速率。相變儲熱材料(如石蠟和聚乙二醇)是一種能夠在內部吸收和保留熱量的能量轉換材料，它們具有顯著的節能優勢，在吸附、航空航天和生物醫學等領域有著廣泛的應用。因此，光熱限域微反應器通過加入相變儲熱材料，可有效保留光熱轉換產生的熱能，從而提高儲熱效果。同時，微膠囊結構可以解決相變材料易泄露、易腐蝕和易體積變化等問題。內核的相變材料可以借助外殼材料實現與周圍環境的隔離，且在熔化吸熱過程中內核可以保持恒定的溫度，在熱能儲存和溫度控制領域表現出獨特的優勢。目前還未見相關報道。

技術實現思路

1、針對現有技術的不足，本發明為解決現存納米吸附劑選擇性不高，多步化學修飾過程繁瑣，在選擇性吸附的過程中同時儲存熱量等技術瓶頸，提出了一種磷酸鹽功能化光熱轉化微膠囊吸附劑的制備方法，并用于選擇性的吸附分離uo22+。

2、本發明采用乳液模板法，通過多巴胺自由基聚合一步合成了磷酸鹽功能化光熱轉化微膠囊吸附劑(pda-po43-/peg)。在近紅外光源的作用下，黑色的多巴胺(pda)外殼吸收光能并轉化為熱能，使內部空間和外殼表面保持均勻的溫度，提高反應速率。隨后，封閉的聚乙二醇(peg)可作為熱能儲存介質，利用多巴胺氧化聚合產生的內源性碳中心自由基(ccr)催化自由基聚合(frp)。此外，還引入了表面接枝功能單體磷酸根，以提高pda-po43-/peg的選擇性，從而實現鈾的有效和選擇性分離。

3、本發明首先將聚乙二醇(peg)溶解在甲苯中作為油相，3-羥甲基氨基甲烷鹽酸鹽(tris-hcl)作為水相，十二烷基硫酸鈉(sds)作為表面活性劑。攪拌后形成油包水型乳液。隨后，引入鹽酸多巴胺，導致多巴胺單體在油和水的界面上聚合。在自由基聚合過程中，同時加入了含有磷酸基團的功能單體。聚合完成后，油相中的甲苯蒸發，從而產生了包裹相變材料聚乙二醇的中空納米吸附劑。當多巴胺外殼受到光照射時，多巴胺中的黑色素能將光能轉化為熱能。隨后，這些熱能被聚乙二醇吸收并保留下來。

4、為達到上述技術的目的，本發明采用的技術方案是：

5、一種磷酸鹽功能化微膠囊吸附劑pda-po43-/peg的制備方法，包括如下步驟：

6、(1)將一定量3-羥甲基氨基甲烷鹽酸鹽(tris-hcl)溶解在去離子水中，并加入一定量的十二烷基硫酸鈉(sds)作為水相；

7、將聚乙二醇(peg)溶解在甲苯中作為油相。

8、(2)在磁力攪拌條件下，迅速將油相加入至水相中，2.0-5.0min后加入鹽酸多巴胺，反應3.0-5.0h后，再加入乙烯基磷酸，過硫酸鉀(kps)和四甲基乙二胺(temed)，反應12-15h，最后通過高速離心收集產物后進行烘干，得到黑色固體粉末，即磷酸鹽功能化微膠囊吸附劑pda-po43-/peg。

9、步驟(1)的水相中，去離子水、tris-hcl和sds的用量比為1.0ml:(0.4-0.8)mg:(3.0-5.0)mg。

10、步驟(1)的油相中，甲苯與peg的用量比為1.0μl:(0.2-0.5)μl。

11、步驟(2)中，所述的水相與油相的用量比為1.0ml:(0.36-0.45)ml。

12、步驟(2)中，所述的將油相加入至水相時，磁力攪拌的速度在300-900rpm，磁力攪拌溫度為20-30℃。步驟(2)中，所述的乙烯基磷酸、鹽酸多巴胺、kps與temed的用量比為1.0μl:(0.05-0.085)mg:0.05mg:(0.01-0.05)μl。

13、步驟(2)中，所述的乙烯基磷酸與油相的用量比為1.0μl:(0.6-0.75)μl。

14、本發明制備的pda-po43-/peg微膠囊吸附劑兼具提鈾和儲熱功能。

15、將本發明制備的pda-po43-/peg微膠囊吸附劑用于uo22+的選擇性吸附分離的用途。

16、與現有技術相比較，本發明的有益效果體現如下：

17、本發明利用乳液模板法，通過光熱轉化工藝合成了一種微膠囊吸附劑pda-po43-/peg。在多巴胺自由基聚合過程中，磷酸官能團被一步修飾。為了同步利用光熱效應特性，內部膠囊由能夠儲存熱量的相變材料(peg)包裹。利用磷酸官能團對uo22+的親和效應，增強了鈾酰離子的選擇性富集效果。本發明合成的pda-po43-/peg微膠囊吸附劑具有更高的吸附性能和選擇性，以及有效的光熱轉化和熱存儲能力，對工業應用具有重要的研究意義。

技術特征：

1.一種磷酸鹽功能化微膠囊吸附劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)的水相中，去離子水、tris-hcl和sds的用量比為1.0ml:(0.4-0.8)mg:(3.0-5.0)mg。

3.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)的油相中，甲苯與peg的用量比為1.0μl:(0.2-0.5)μl。

4.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述的水相與油相的用量比為1.0ml:(0.36-0.45)ml。

5.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述的將油相加入至水相時，磁力攪拌的速度在300-900rpm，磁力攪拌溫度為20-30℃。

6.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述乙烯基磷酸、鹽酸多巴胺、過硫酸鉀kps與四甲基乙二胺temed的用量比為1.0μl:(0.05-0.085)mg:0.05mg:(0.01-0.05)μl。

7.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述的乙烯基磷酸與油相的用量比為1.0μl:(0.6-0.75)μl。

8.一種磷酸鹽功能化微膠囊吸附劑，其特征在于，是通過權利要求1-7任意一項所述制備方法制得的，兼具提鈾和儲熱功能。

9.將權利要求8所述的磷酸鹽功能化微膠囊吸附劑用于鈾酰離子的選擇性吸附分離的用途。

技術總結
本發明屬于離子辨識吸附分離功能材料制備技術領域，公開了一種功能化光熱轉化微膠囊吸附劑的制備方法及其應用。本發明采用乳液模板法，通過多巴胺自由基聚合一步合成了磷酸鹽功能化光熱轉化微膠囊吸附劑PDA?PO<subgt;4</subgt;<supgt;3?</supgt;/PEG。在近紅外光源的作用下，黑色的多巴胺PDA外殼吸收光能并轉化為熱能，使內部空間和外殼表面保持均勻的溫度，提高反應速率。隨后，封閉的PEG可作為熱能儲存介質，并利用多巴胺氧化聚合產生的內源性碳中心自由基CCR催化自由基聚合FRP。此外，還引入了表面接枝功能單體磷酸鹽，以提高PDA?PO<subgt;4</subgt;<supgt;3?</supgt;/PEG的選擇性，從而實現鈾的有效和選擇性分離。

技術研發人員：蔡耀濤,潘建明,陳新怡,王盼
受保護的技術使用者：江蘇大學
技術研發日：
技術公布日：2024/11/26