[发明专利]一种氨基增强的偕胺肟基溶胀层聚丙烯腈纤维吸附剂的制备方法

说明书

一种氨基增强的偕胺肟基溶胀层在聚丙烯腈纤维表面构筑方法，在聚丙烯腈纤维表面构筑亲水溶胀层结构。其具体过程为：在通风环境下，将PAN纤维加入到装有乙二胺溶液的三口瓶中，油浴加热，回流，制得PAN‑NH₂；再用pH为7的盐酸羟胺溶液对PAN‑NH₂氨肟化处理，制得PAN‑NH₂‑AO。本发明优点在于：引入的亲水集团氨基，不仅能够增强纤维的亲水性使之溶胀增加，同时作为一种吸附基团增大了纤维的吸附性能；通过改变反应时间、温度以及反应物浓度，有效控制聚丙烯腈纤维表面的氨基增强的偕胺肟基溶胀层厚度，实现溶胀层厚度的可控。

技术领域

本发明涉及海水提铀技术领域，具体是一种氨基增强的偕胺肟基溶胀层在聚丙烯腈纤维表面构筑方法。

背景技术

随着核电的发展，全世界对铀的需求量与日俱增，而陆地铀矿储量有限，难以满足核工业的发展需求。海洋中45亿吨的铀资源存储量，足以满足人类上万年的能源需求，众多国家开始了新一轮的海水提铀竞争研究。

以聚丙烯腈为基体的吸附剂在海水提铀方面已经取得了大量的研究进展，且在实际应用中取得了一定的成果。但是其吸附容量以及吸附效率依然难以满足从海水中大量提取铀用于工业生产的需求。偕胺肟基系列的聚合物是公认的对U(Ⅵ)吸附性能最好的聚合物。一般认为，材料中的偕胺肟基团越多，其U(Ⅵ)吸附性能越好，因此提升吸附剂中的腈基转化率和偕胺肟密度是提升吸附剂吸附能力的重要方法。因此研究人员研究了聚丙烯腈纤维表面偕胺肟化所形成的“凝胶层”厚度与铀吸附性能之间的关系，发现吸附容量与凝胶层厚度成正相关。但是当偕胺肟基的含量达到一定程度，纤维的形貌和性能会发生变化，不仅不会继续提升吸附剂的吸附性能，甚至会阻碍吸附行为的发生。这是因为在较高的偕胺肟化程度下，聚丙烯腈纤维表面的偕胺肟基团发生凝胶化。在偕胺肟化过程中，聚丙烯腈纤维表面反应得到的偕胺肟基通常与水分子结合形成水凝胶层，导致纤维直径增大，机械强度降低。而偕胺肟基所形成的的凝胶层较致密，阻碍了铀酰离子的扩散，铀的吸附能力也随之下降。因此，要继续增大偕胺肟改性的聚丙烯腈纤维的吸附性能，必须改变纤维表面凝胶层的结构性质。解决铀酰离子在聚丙烯腈纤维表面的扩散问题。

针对以上问题，本发明提出了一种改变偕胺肟化凝胶层结构性质的方法。即在聚丙烯腈纤维表面进行偕胺肟化之前，现在聚丙烯腈分子链上接枝强亲水基团。该强亲水基团在分子链上起到两个作用：首先是极大地增强了偕胺肟凝胶层的亲水性能，因强亲水性而吸收大量的水分使纤维表面一层分子链溶胀形成溶胀层结构。而该溶胀层结构使分子链之间间距大，铀可以渗透进溶胀层内部，提升吸附容量。其次是，氨基同样作为一种铀酰离子的强配位基团，可以与偕胺肟基团共同吸附铀酰离子。

发明内容

针对现有偕胺肟化聚丙烯腈纤维在高偕胺肟化程度下存在的问题，本发明提出了一种使用氨基增强偕胺肟溶胀层的解决办法。有效解决了聚丙烯腈纤维在高偕胺肟化过程中铀酰离子在水凝胶层的扩散问题。

具体实施方法是采用乙二胺作为强亲水基团，在对聚丙烯腈进行偕胺肟化的同时，在聚丙烯腈表面引入强亲水性的氨基。氨基能大大促进偕胺肟化聚丙烯腈的亲水性，从而使纤维表面含有偕胺肟基和氨基的分子链溶胀，在聚丙烯腈表面形成溶胀层。当聚合物分子链发生溶胀时，小分子物质会渗透进溶胀层内部。因此当这种氨基增强的偕胺肟基溶胀层在水溶液中溶胀时，促进了U(Ⅵ)在溶胀层中的扩散，解决了高偕胺肟化程度下铀酰离子的扩散问题，提高了吸附容量。

根据以上发明构思本发明包括以下步骤：

步骤一：PAN-NH₂的制备：在烧杯中加入一定量的去离子水，并将烧杯冰浴降温；乙二胺加入到如离子水中，边加入边搅拌；添加完毕后继续冰浴1h降温；将烧杯中的乙二胺溶液转移到容量瓶中，定容至刻度线；制备得到10-30vol%的乙二胺溶液；

步骤二：溶液配置过程需全程在通风环境中进行，将上述溶液转移至三口瓶中，称取4g PAN纤维加入到三口瓶中，并使PAN完全浸没在溶液液面以下；将三口瓶油浴加热至70℃，回流5-24h；