[发明专利]一种氧化锌杂原子掺杂碳微球材料铀吸附剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种氧化锌杂原子掺杂碳微球材料铀吸附剂的制备方法，属于环境保护技术领域。本发明以聚磷腈衍生杂原子掺杂碳微球材料为前驱体，通过水热法和二次碳化引入ZnO，制备出ZnO/杂原子掺杂碳微球材料铀吸附剂。碳微球材料的杂原子为铀酰离子的吸附奠定了基础，而ZnO的引入可以在吸附剂表面提供更多的吸附位点，进一步提升吸附容量。本发明ZnO/杂原子掺杂碳微球材料铀吸附剂的制备方法简单、稳定性好、吸附性能良好、抗干扰能力强，可用于对铀酰离子的高效吸附，有良好应用前景。

技术领域

本发明涉及碳微球材料铀吸附剂的制备领域，尤其是涉及一种氧化锌杂原子掺杂碳微球材料铀吸附剂的制备方法。

背景技术

核能被认为是替代化石能源以实现净零碳排放的成熟技术，而铀是核能的主要来源。然而，核燃料循环过程中会产生一些含有铀的基本放射性废水。例如，在将六氟化铀转化为二氧化铀的过程中，产生了含有高浓度碳酸盐、氟化物和氨的含铀流出物。由于铀对人类和环境具有化学和放射性毒性，因此有必要从放射性废水中分离和回收铀。各种物理或化学技术已经用于含铀废水的回收：溶剂萃取法、离子交换法、化学沉淀法、光催化还原法以及吸附等。这些技术都有各自的优势，但是也不可避免地存在一些缺陷。这其中，吸附法因其流程简单、工艺成熟和经济环保被认为是去除溶液中铀酰离子的最佳方法之一，即使在痕量水平下也是如此。

自19世纪以来，碳材料由于可用性高、稳定性好（耐酸碱）、易回收、绿色性、成本低、吸附性能优异等特点而被认为具有巨大的吸附潜力。这其中，碳微球是一种直径介于100至1000 nm之间的零维碳材料。与传统的碳材料相比，碳微球通常是无定形的，具有典型的球形形态，因此在许多溶剂中具有良好的分散性。然而，碳材料本质上是一种惰性的疏水材料，虽然能通过范德华力与污染物结合在一起，但结合力弱，这也就导致了原始碳材料对水溶液中金属离子的吸附能力较差。

目前，研究人员已采取多种修饰或改性方法来提高碳微球材料的吸附性能。聚合物基前驱体，经过高温碳化，可以保留碳框架的整体形态，并在一定程度上显示出有序的碳结构。而特定的聚合物，如聚磷腈，经过高温碳化可以同时保留多级多孔结构和对铀酰离子更具亲和力的杂原子，进一步提升吸附量。

另一方面，金属氧化物的经济成本低，稳定性好，是研究人员的最佳选择之一。添加金属氧化物（如Fe₂O₃、MgO、Al₂O₃和ZnO）可显著改善碳微球的理化性质，如亲水性、比表面积和Zeta电位，这有利于提高吸附性能。在这些氧化物中，ZnO由于其独特的性质、温和的反应条件和低廉的价格而在水污染物的吸附剂领域受到了研究人员广泛的关注。ZnO表面存在大量极性位点，这些极性位点可以在水溶液中形成羟基（-OH），并促进ZnO与金属离子的结合。

有鉴于此，本发明拟将聚磷腈衍生杂原子掺杂碳微球与ZnO结合起来并应用于废水中铀酰离子的吸附，以改善其应用性能。

发明内容

本发明旨在提供一种氧化锌杂原子掺杂碳微球材料铀吸附剂的制备方法。本发明所使用的碳材料为聚磷腈衍生的杂原子掺杂碳微球材料，进而与ZnO进行水热反应和二次碳化，制备出ZnO/杂原子掺杂碳微球材料铀吸附剂TAC/ZnO。碳微球材料的杂原子为铀酰离子的吸附奠定了基础，而ZnO的引入可以在吸附剂表面提供更多的吸附位点，进一步提升吸附容量。本发明中的ZnO/杂原子掺杂碳微球材料铀吸附剂的制备方法简单、结构明确、稳定性好，可用于对铀酰离子的选择性高效吸附，具有良好的应用前景。本发明不仅可为吸附材料前驱体的设计和调控提供新思路，还为制备高效铀吸附剂提供了新途径。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种氧化锌杂原子掺杂碳微球材料铀吸附剂的制备方法，包括如下步骤：