[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

本发明采用双模板法，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，本发明使用[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。

发明内容

本发明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：

（1）双模板制备介孔氧化硅SBA-15