[发明专利]具有核壳结构的铁氰化铜/多壁碳纳米管杂化材料的制备方法及其在吸附铯离子中的应用

说明书

技术领域

本发明属于核污染处理及吸附材料的合成技术领域，具体涉及一种具有枝状核壳结构的铁氰化铜/多壁碳纳米管杂化材料的制备方法及其在选择性吸附铯离子中的应用。

背景技术

核电厂的原子裂变将会产生铯137，它是放射性废水的主要成分。另外，铯137是强的γ射线源，由于其较长的放射性半衰期(30.2年)以及能在生物圈中的可转移特性，铯137将会威胁人们的健康。放射性核素可以通过很多方法进行分离和循环利用，这些方法包括溶剂萃取法、共沉淀法、化学吸附法和离子交换法，电化学控制离子交换 (electrically-switched ion exchange(ESIX))法是一种新型铯离子分离技术，在这一过程中铯离子的交换可以通过电极电位进行调控。另外，铯离子的去除无需额外化学试剂，也没有过滤步骤，这将降低运行成本，最大限度内减少产生的废液。

近来，作为电化学控制的离子交换剂，金属铁氰化物(MHCFs，M为锌、铁、镍和铜) 在放射性铯去除应用领域中引起了广泛的关注，这些金属铁氰化物具有开孔的类沸石结构，该结构是由以铁为中心氰基桥连的面心立方框架，这种新颖结构将在离子交换去除废水的铯离子得到广泛应用。在金属铁氰化物中铁氰化铜显示出较高的铯离子吸附容量和较高的选择性，尤其在高浓度钠离子存在的条件下，铁氰化铜在较大的pH范围内有很好的化学稳定性，这对于放射性铯的去除具有较好的实际意义。然而，纯的铁氰化铜由于可供铯离子吸附的面积有限，因而还不是一种有效的电化学控制离子交换剂，另外，纯的铁氰化铜较差的导电性也不利于电极界面的电子传递，最终导致较低的铯离子交换速率和较小的铯离子分布系数。本专利申请受到浙江省公益基金项目(No.2016C33011)和浙江省自然基金项目(No.Y17B030005)支持。

发明内容

本发明为克服上述技术问题并在大规模使用电化学控制离子交换剂时提高其利用效率而提供了一种具有枝状核壳结构的铁氰化铜/多壁碳纳米管杂化材料的制备方法，该铁氰化铜/多壁碳纳米管杂化材料中铁氰化铜纳米粒子(粒径约为20nm)均匀负载于多壁碳纳米管上形成枝状核壳结构，多壁碳纳米管充当纳米收集极作用以提高铁氰化铜的导电性，便于电极界面的电子传递，同时形成的枝状核壳结构能够使多壁碳纳米管上的铁氰化铜容易进行铯离子交换，使其作为电化学控制离子交换剂具有比纯铁氰化铜更高的铯离子去除效能和更快的铯离子交换速率，因此能够用于选择性吸附核废水中的铯离子。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种具有枝状核壳结构的铁氰化铜/ 多壁碳纳米管杂化材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：将多壁碳纳米管分散于含有聚乙烯吡咯烷酮的去离子水溶液中，并用盐酸调节体系的pH＝1-7，再将铜离子和六氰和铁酸根离子分批加入到上述溶液中，搅拌混合均匀后将混合液转移至水热反应釜中于100-200 ℃水热反应1-24h，然后冷却至室温停止反应，离心收集并用水和乙醇进行清洗得到具有枝状核壳结构的铁氰化铜/多壁碳纳米管杂化材料。

进一步优选，所述多壁碳纳米管与铜离子的投料配比为10mg:5-40mmol。

本发明所述的具有枝状核壳结构的铁氰化铜/多壁碳纳米管杂化材料在选择性电化学吸附铯离子中的应用，经电化学再生后的铁氰化铜/多壁碳纳米管杂化材料电极重复循环使用。

进一步优选，所述铁氰化铜/多壁碳纳米管杂化材料在选择性吸附铯离子中的应用，其特征在于具体过程为：吸附过程是将铁氰化铜/多壁碳纳米管杂化材料电极在含有铯离子核废水中在0.1-0.3V恒电位极化0.5-10h，再生过程是将铁氰化铜/多壁碳纳米管杂化材料电极在0.8-1.2V恒电位极化0.5-10h，再生后的铁氰化铜/多壁碳纳米管杂化材料电极经清洗后重复循环使用。