基于高分子刷海水提铀吸附材料的结构调控与构效机制研究

The shortage of terrestrial uranium resource is becoming more and more serious due to fast development of nuclear power. Therefore, the use of highly efficient adsorbents to extract uranium from seawater is of great significance for ensuring safety and sustainable development of nuclear energy. Polymer brush based adsorbents have great application value in extraction of uranium from seawater because they contain stretchable polymer chains, with the advantages of large amounts of functional groups, controllable structure and adjustable adsorption properties. In this project, functional polymer brushes will be grafted onto surface of fibers via atom transfer radical polymerization to form novel adsorbents, so as to break through the bottleneck of low adsorption efficiency for conventional adsorbents in extracting uranium from seawater. First, chemical structures (e.g., composition, content, sequential structure and configuration of the functional groups) and physical structures (e.g., thickness, density and morphology) of the polymer brushes will be tailored to investigate the effect of corresponding factors on structures. Then, the uranium adsorption properties of polymer brush based adsorbents with various structures will be studied via combined theoretical and experimental approaches to reveal the structure-property relationship and the corresponding mechanism. Finally, the adsorption properties and physicochemical parameters of the polymer brush based adsorbents in the real seawater will be evaluated by sea test. The results of this project will provide theoretical principle and scientific basis for the development of highly efficient adsorbents for the uranium recovery from seawater.

核电事业的发展导致陆地铀资源的短缺日益凸显。因此，采用高效吸附剂从海水中提取铀资源对于保障核能的安全和可持续发展具有重要意义。高分子刷吸附剂含有可舒展的高分子链，具有官能团含量高、结构可控和吸附性能可调等优点，在海水提铀方面具有重要的应用价值。本项目旨在采用原子转移自由基聚合技术在纤维基材表面定向嫁接功能化高分子刷，拟突破常规吸附剂在海水提铀中吸附效率低的瓶颈。通过改变高分子刷的化学结构（功能基团的组成、含量、序列结构和构型等）和物理结构（高分子刷的厚度、密度和形态等）实现高分子刷的结构调节，考查相关因素对高分子刷结构的影响规律。采用理论与实验相结合的方法研究不同结构高分子刷对铀离子的吸附性能，揭示高分子刷结构与吸附性能之间的构效关系和机制。通过海试试验综合评价高分子刷吸附剂在真实海水环境下的吸附性能和物化参数。本项目的研究结果将为高效海水提铀吸附材料的开发提供理论基础和科学依据。

开发了一种利用聚合物引发剂从ARGET-ATRP方法获得超厚聚合物刷的有效技术。这项技术制造出厚度控制在10μm以下的聚合物刷子，这是有史以来报告的最大厚度。我们认为，在ARGET-ATRP过程中，聚合物引发剂层具有大量现成的功能性，使得聚合物刷具有更高的接枝密度，因此具有惊人的厚度。通过改变聚合物引发层的厚度，可以控制接枝密度和聚合物刷的厚度。可以将高分子刷接枝到其他纤维、氧化石墨烯等基材。同时，高分子刷吸附剂产品以聚氯乙烯纤维为基材，采用可控聚合方法接枝丙烯腈、丙烯酸叔丁酯等单体而制得。该产品经中核矿业科技集团有限公司在海南某海域进行海水提铀现场试验验证，满足海水提铀高效、安全、实用、方便等要求。该铀吸附材料可应用与该公司海水提铀、含铀废水的富集与处理等方面。顺利通过了海试平台应用。研制了高分子提铀材料的制备工艺及装置。具有较好的应用前景。.采用溶剂诱导相分离法制备了PAO微珠，并通过原位生长的方法将ZIF-8锚定在PAO上，制备了ZIF-8/PAO复合材料。该材料中ZIF-8的负载率高达42.5%。偕胺肟基与ZIF-8的协同吸附能力增强了对铀的吸附。在各种竞争离子存在的情况下，ZIF-8/PAO对铀的吸附表现出良好的选择性。此外，还提出了ZIF-8基团和胺肟基上的咪唑-N原子螯合U(VI)的吸附机理。我们相信，我们的工作将会促进MOF材料的发展和应用。.通过溶液聚合法合成了一种封装短链聚偕胺肟的多孔材料（MIL-101-PAO）。由于短链聚偕胺肟稳定地存在于孔隙中，并表现出相对自由的活动空间，因此确保了偕胺肟官能团能够与铀酰离子充分配位，使MIL-101-PAO对铀酰离子的吸附能力大大提高。在pH=8.0时的最大吸附量为819 mg g-1，在共存离子浓度为1.0×10-4 mol L-1的溶液环境中，其对铀的吸附率为95.3%。由于偕胺肟基的特性，MIL-101-PAO对铀表现出良好的吸附能力和选择性吸附效果。XPS分析结果表明，铀酰离子的配位环境复杂。偕胺肟基的氨基和肟基都参与了配位。这项研究有望为浓缩和去除溶液中的铀提供一种极具竞争力的方法。并且采用分子动力学，模拟了PAN在水溶液中的构象。