毛发基海水提铀材料的设计、制备及构效关系研究

Recovery uranium from seawater is very important for sustainable development of the future nuclear fossil energy in China. Whether large-scale recovery of uranium from seawater comes true depends on properties of adsorbents, including the uranium adsorption rate, adsorption selectivity and loading capacity. Polyethylene or polypropylene based amidoxime material has been insensitively studied in the past. However, the polyethylene or polypropylene matrix material has strong hydrophobic property. The amidoxime group has low selectivity to uranium. In this project, animal hair having strong hydrophilicity property and excellent chemical and biologic stability will be used as matrix material. Some new functional materials will be designed and prepared. At first, three series of functional groups with similar molecular structures will be designed, according to the experiential rules and literatures. Chelating mechanisms and stabilities between the functional groups and uranium and some main disturbing ions (Fe3+、Pb2+) will be then studied by theory and experimental research means. A design approach of molecular structures of functional groups with high selectivity will be established. After some relations between radiation condition and radical, microstructure and mechanics of hair fiber are obtained, several animal hair based adsorbents having good adsorption properties will be prepared by radiation grafting technique.

发展海水提铀技术对于我国核能的可持续发展具有重要的战略意义，制备铀吸附性能（吸附容量、选择性、吸附速率等）良好的功能材料是实现海水提铀工程化的关键。聚乙烯、聚丙烯基偕胺肟类材料是目前研究最多、制备工艺最成熟的海水提铀功能材料，针对其基体材料亲水性差、功能基团对铀选择性不高等缺点，本项目拟以化学与生物稳定性较好、强亲水性的废弃动物毛发为基材，以偕胺肟基团为基础，设计并制备高性能的新型海水提铀功能材料。首先基于文献及经验规律，初步设计三个系列的结构相近的吸铀配体基团；采用理论与实验研究相结合，获得配体基团结构与铀酰离子、主要干扰离子（Fe、Pb等）的配位机理及螯合稳定性的关系，建立天然海水环境下高性能的铀吸附材料分子结构设计方法；在系统研究辐照条件对毛纤维自由基、微观结构和力学性能的影响规律的基础上，制备高性能的毛纤维基海水提铀功能材料。相关研究结果也可为其它放化分离材料的设计及制备提供参考。

铀资源是核工业赖以发展的基础资源，是国家核力量发展的战略资源，是实现核电可持续发展的重要因素。我国已探明铀资源储量约20万吨，位居全世界第十位。然而作为人口大国，对资源的需求比其他国家要大，铀资源相对更加贫乏。所幸的是，海水中蕴藏着约45亿吨铀，如果能够将海水中的铀资源利用起来，铀将会是一种“取之不尽”的资源，足以保证人类能源的可持续发展。.本项目主要针对海水提铀的材料研发展开研究。主要完成了以下几个方面的研究工作：1. 高选择性吸铀配体基团的理论设计：完成了对不同理论方法计算精度的比对，通过计算结果与已知晶体结构的数据比对发现不同赝势场方法中，Stuttgart RSC 1997 ECP小核赝势对含有不同类型配体的铀络合物构型计算的精度更高，BB1K/SDD:6-31G(d)对络合物1的计算精度显著优于其他方法。并利用发展的最优理论模型，充分研究了偕胺肟分子与铀酰离子的配位形式。并通过配位构象与热稳定性的分析确定了偕胺肟与铀酰离子的最稳定配合物形式。并研究了不同取代的偕胺肟分子与铀酰离子在配位时的电子效应和位阻效应。2. 不同毛发纤维吸铀功能材料的制备及性能研究：主要针对羊毛纤维型提铀功能材料的制备方法展开了研究，探索了对于羊毛纤维的预处理方法，并用处理后的优质羊毛纤维制成偕胺肟基改性纤维Wool-g-AO ，用作UO22+的吸附剂。Langmuir 模型适合描述Wool-g-AO 对UO22+的吸附等温线，拟合得到的最大吸附量分别为55.65~78.19 mg/g。并发展研制了掺杂金属氧化物的抗菌型羊毛纤维材料，在50ppm的初始铀溶液中饱和铀吸附量达到72.3mg/g，其抗菌性能达到90%以上。3. 高性能吸铀功能材料的分子结构设计及性能研究：通过对铀酰离子配位性质的研究，分别设计制备了两种对于铀酰离子具有高选择性的配体分子，主要用于对铀酰离子的高选择性识别，两种不同类型的功能分子都实现了对于铀酰离子的选择性作用，改类分子可以通过接枝修饰等手段制备成为新型提铀材料用于海水提铀的研究。