一种碳基材料及其制备方法和应用、含铀废水净化方法

1.本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种碳基材料及其制备方法和应用、含铀废水净化方法。


背景技术：

2.铀是核能发展的主要能源，但随着核工业的快速发展产生了大量的含铀废水，其具有成分复杂、浓度低、毒性强并具有放射性等特点。目前，常用的含铀废水处理方法有化学沉淀法、混凝法、光催化法、化学还原法、离子交换法、生物法和吸附法等，其中吸附法以操作简单、吸附效率快、铀选择性高、吸附容量大等特点深受学者关注。近几年用于铀吸附的各种材料得到快速发展，如活性炭、纳米零价铁、介孔硅、金属有机框架材料和共价有机框架材料。
3.近年来，具有核壳结构的纳米零价铁(nzvi)由于其具有效率高、容量大、活性强等特性成为吸附废水中u、cd、ni等重金属的主要材料。但是，nzvi被用作吸附剂时存在nzvi颗粒容易团聚和氧化，导致稳定性差的缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种碳基材料及其制备方法和应用、含铀废水净化方法，本发明提供的碳基材料不易团聚和氧化，稳定性能优异。
5.为了实现本发明的目的，本发明提供了以下技术方案：
6.一种碳基材料，包括碳基体和填充在碳基体孔隙内部以及负载在碳基体表面的纳米零价铁颗粒。
7.优选地，所述碳基材料中纳米零价铁颗粒的质量含量为4～6％。
8.优选地，所述纳米零价铁颗粒的粒径为200～300nm。
9.本发明还提供了上述技术方案所述碳基材料的制备方法，包括以下步骤：
10.将铁氰化钾、葡萄糖、ph调节剂和水混合，得到前驱液；
11.将所述前驱液和碳材料混合，进行水热反应，得到碳基材料前驱体；
12.将所述碳基材料前驱体进行炭化，得到所述碳基材料。
13.优选地，所述碳材料由碳纤维组成；所述碳材料、铁氰化钾与葡萄糖的质量比为1:2～3:1。
14.优选地，所述水热反应的温度为110～130℃，时间为4～6h。
15.优选地，所述炭化的温度为700～1000℃，时间为6～8h。
16.本发明还提供了上述技术方案所述碳基材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的碳基材料在净化含铀废水中的应用。
17.本发明还提供了一种含铀废水净化方法，包括以下步骤：
18.将碳基材料和含铀废水混合进行吸附；所述碳基材料为上述技术方案所述碳基材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的碳基材料。
19.优选地，所述碳基材料和含铀废水的固液比为1.2～1.6g/l。
20.本发明提供了一种碳基材料，包括碳基体和填充在碳基体孔隙内部以及负载在碳基体表面的纳米零价铁颗粒。本发明通过在碳基体内掺杂纳米零价铁以及将纳米零价铁颗粒负载在碳基体表面，碳基材料能够加大纳米零价铁颗粒的扩散，有效防止纳米零价铁颗粒团聚，同时，碳材料的包裹能够减缓纳米零价铁氧化的缺陷，提高了碳基材料中的纳米零价铁颗粒的稳定性；而填充在碳基体孔隙内部的纳米零价铁颗粒具有吸附还原铀的作用。
21.将本发明提供的碳基材料应用于含铀废水净化，对铀离子的去除效果优异，由本发明实施例结果可知，本发明对浓度为5～250mg/l的含铀废水可在2～6h内达到90％以上的去除率，证明本发明提供的碳基材料吸附性能优异。此外，本发明的碳基材料的回收过程中没有毒性、腐蚀性和放射性，不会造成二次污染。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为实施例1～4中制备的碳基材料前驱体放大500倍的sem谱图；
24.图2为实施例1～4中制备的碳基材料前驱体放大100000倍的sem谱图；
25.图3为实施例1～4中制备的碳基材料前驱体的xrd谱图；
26.图4为实施例1制备的碳基材料的sem谱图；
27.图5为实施例2制备的碳基材料的sem谱图；
28.图6为实施例3制备的碳基材料的sem谱图；
29.图7为实施例4制备的碳基材料的sem谱图；
30.图8为实施例1～4制备的碳基材料和碳基底的xrd谱图；
31.图9为实施例1～4制备的碳基材料的xps能谱图；
32.图10为实施例2制备的碳基材料的fe 2p高分辨率xps能谱图；
33.图11为碳材料和实施例1～4制备的碳基材料对含铀离子水溶液的吸附效果图；
34.图12为实施例2制备的碳基材料吸附铀离子前后的xps全谱图；
35.图13为实施例2制备的碳基材料吸附铀离子前后的高分辨率u 4f光谱图；
36.图14为实施例2制备的碳基材料吸附铀离子前后的xrd图谱；
37.图15为不同ph条件下实施例2制备的碳基材料对铀离子的吸附效果图；
38.图16为不同吸附温度下实施例2制备的碳基材料对铀离子的吸附效果图；
39.图17为实施例2制备的碳基材料针对不同浓度铀离子的吸附效果图；
40.图18为不同阳离子条件下实施例2所述碳基材料对铀离子的吸附效果图；
41.图19为不同阴离子条件下实施例2所述碳基材料对铀离子的吸附效果图；
42.图20为实施例2制备的碳基材料针对海水中铀的提取能力测试结果图；
43.图21为实施例2制备的碳基材料三个循环周期试验后对铀离子的吸附效果图。
具体实施方式
44.本发明提供了一种碳基材料，包括碳基体和填充在碳基体孔隙内部以及负载在碳基体表面的纳米零价铁颗粒。
45.在本发明中，所述碳基材料中纳米零价铁颗粒的质量含量优选为4～6％，更优选为5％。
46.在本发明中，所述纳米零价铁颗粒的粒径优选为200～300nm，更优选为200～250nm。在本发明中，纳米零价铁颗粒具有吸附还原铀的的作用。
47.本发明还提供了上述技术方案所述碳基材料的制备方法，包括以下步骤：
48.将铁氰化钾、葡萄糖、ph调节剂和水混合，得到前驱液；
49.将所述前驱液和碳材料混合，进行水热反应，得到碳基材料前驱体；
50.将所述碳基材料前驱体进行炭化，得到所述碳基材料。
51.在本发明中，若无特殊说明，所有的制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
52.本发明将铁氰化钾、葡萄糖、ph调节剂和水混合，得到前驱液。在本发明中，所述前驱液中铁氰化钾的质量浓度优选为20～24g/l，更优选为22～23g/l。在本发明中，所述前驱液中葡萄糖的质量浓度优选为8～10g/l，更优选为8.33～9g/l。
53.在本发明中，所述ph调节剂优选为浓盐酸、稀盐酸和稀硝酸中一种，更优选为浓盐酸。在本发明中，所述浓盐酸的质量含量优选为36％～38％，更优选为37％。本发明对ph调节剂的用量没有特殊限定，调剂至前驱液的ph为1～2即可。
54.在本发明中，所述水优选为超纯水。
55.在本发明中，所述铁氰化钾、葡萄糖、ph调节剂和水混合方式优选为搅拌，所述搅拌的时间优选为5～30min，更优选为5～10min；所述搅拌的速率优选为600～700r/min，更优选为650r/min。
56.得到前驱液后，本发明将所述前驱液和碳材料混合，进行水热反应，得到碳基材料前驱体。在本发明中，所述碳材料优选由碳纤维组成，所述碳材料具体可以优选为由碳纤维组成的碳毡基底、碳布和碳片中的一种，更优选为碳毡基底。在本发明中，所述碳毡基底的长度优选为30～100mm，更优选为40～60mm，宽度优选为5～50mm，更优选为10～30mm；厚度优选为2～5mm，更优选为3～4mm。在本发明中，碳材料具有增大纳米零价铁扩散和减缓纳米零价铁氧化以及提供稳定支撑的作用。
57.在本发明中，所述碳材料、铁氰化钾与葡萄糖的质量比优选为1:2～3:1，更优选为1:2.64:1。
58.在本发明中，所述水热反应的温度优选为110～130℃，更优选为120℃；所述水热反应的时间优选为4～6h，更优选为4h。在本发明中，水热反应过程中水热反应时一部分[fe(cn)6]
3-在hcl作用下分解释放出fe
3+
，而另一部分[fe(cn)6]
3-被葡萄糖(c6h
12
o6)还原成[fe(cn)6]
4-，再通过沉淀将上述反应生产的fe
3+
和[fe(cn)6]
4-组合，从而在碳材料上原位生成普鲁士蓝(fe
iii4
[fe
ii
(cn)6]3)晶体。
[0059]
所述水热反应后，本发明还优选包括将水热反应产物依次进行水洗和干燥。在本发明中，所述水洗的次数优选为2～5次，更优选为3次。本发明优选将水热反应产物水洗至无粉体脱落。
[0060]
在本发明中，所述干燥的温度优选为50～70℃，更优选为60℃；所述干燥的时间优选为12～24h，更优选为24h。
[0061]
在本发明中，所述碳基材料前驱体优选由碳基体和填充在碳基体孔隙内部以及负载在碳基体表面的普鲁士蓝晶体构成。
[0062]
得到碳基材料前驱体后，本发明将所述碳基材料前驱体进行炭化，得到碳基材料。在本发明中，所述炭化的温度优选为700～1000℃，更优选为800～900℃；所述炭化的时间优选为6～8h，更优选为6～7h。在本发明中，升温至炭化所需温度的升温速率优选为5～10℃/min，更优选为10℃/min。
[0063]
在本发明中，所述炭化优选在无氧氛围下进行，更优选为惰性气体氛围下进行。在本发明中，所述惰性气体优选为氩气、氮气中的一种，更优选为氩气。
[0064]
在本发明中，所述炭化过程中碳材料表面变得更加粗糙，孔径变大，同时填充在碳基体孔隙内部以及负载在碳基体表面的普鲁士蓝晶体热解破碎，形成纳米零价铁颗粒与多孔碳材料的复合结构。
[0065]
本发明还提供了上述技术方案所述碳基材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的碳基材料在净化含铀废水中的应用。
[0066]
在本发明中，所述含铀废水优选为铀矿冶废水、核燃料废水和乏燃料后处理废水中的一种或多种，更优选为铀矿冶废水。
[0067]
本发明还提供了一种含铀废水净化方法，包括以下步骤：
[0068]
将碳基材料和含铀废水混合进行吸附；所述碳基材料为上述技术方案所述碳基材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的碳基材料。
[0069]
在本发明中，所述碳基材料和含铀废水的固液比优选为1.2～1.6g/l，更优选为1.4～1.5g/l。
[0070]
在本发明中，所述含铀废水中铀离子的浓度优选为5～250mg/l，更优选为40mg/l；所述含铀废水的ph值优选为3～7，更优选为4。
[0071]
在本发明中，所述吸附的温度优选为20～40℃，更优选为25℃；所述吸附的时间优选为2～6h，更优选为3h。
[0072]
在本发明中，所述吸附优选在无氧氛围下进行，所述无氧氛围优选和上述无氧氛围一致。在本发明中，吸附在无氧环境中进行可以避免已经被还原的四价铀的再次氧化为六价，同时还可以减缓纳米零价铁的氧化。
[0073]
本发明所述碳基材料优选可以循环回收利用。在本发明中，所述碳基材料的回收方式优选为：将使用后的碳基材料浸泡于洗脱剂水溶液中进行解吸附，固液分离后，得到回收碳基材料。在本发明中，所述洗脱剂水溶液中的洗脱剂优选为碳酸钠、碳酸氢钠、稀盐酸和稀硝酸中一种，更优选为碳酸钠。在本发明中，所述洗脱剂水溶液的浓度优选为0.2～1mol/l，更优选为0.5mol/l。
[0074]
在本发明中，所述解吸附的温度优选为25～30℃，更优选为25℃；所述解吸附的时间优选为2～6h，更优选为3h。本发明制备的碳基材料在解吸附反应过程中无需加入催化剂，也无需采用高毒性的氯仿、n,n-二甲基甲酰胺(dmf)等清洗剂对解吸后的吸附材料再次进行清洗和离心收集(该过程存在二次污染)，本发明采用操作简单的浸泡法，将吸附后的材料直接放入洗脱剂中进行浸泡解吸，铀离子则会解吸在洗脱剂中，再通过洗脱剂水溶液
进行铀资源的回收，对环境友好，不会造成二次污染，具有广阔的实际应用前景。
[0075]
在本发明中，所述碳基材料的循环利用次数优选为3～5次，更优选为3次。
[0076]
为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的碳基材料进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
[0077]
实施例1
[0078]
在60ml的超纯水中加入1.32g铁氰化钾(k3[fe(cn)6])和0.5g葡萄糖(α-d-c6h
12
o6)，在室温、650r/min条件下搅拌5min后得到混合液；再加入1ml浓盐酸(浓度为36％～38％)，继续搅拌5min后使盐酸分散均匀，得到ph值为1的前驱液；
[0079]
将所述前驱液和0.5g碳毡基底(cf，尺寸为20*50mm，厚度为3mm)转移至100ml的聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，在120℃条件下进行水热反应4h；将水热反应产物采用超纯水冲洗3次，洗涤至水热反应产物无粉体脱落，在60℃下干燥24h后，得到负载普鲁士蓝晶体的碳基材料前驱体(pb@cf)；
[0080]
以10℃/min的升温速率由室温升温至700℃，将所述碳基材料前驱体在ar气氛700℃条件下碳化6h，冷却至室温后得到碳基材料(nzvi@cf700)。
[0081]
实施例2
[0082]
在60ml的超纯水中加入1.32g铁氰化钾(k3[fe(cn)6])和0.5g葡萄糖(α-d-c6h
12
o6)，在室温、650r/min条件下搅拌5min后得到混合液；再加入1ml浓盐酸使混合液ph值为1，继续搅拌5min后使盐酸分散均匀，得到前驱液；
[0083]
将所述前驱液和0.5g碳毡基底(cf，尺寸为20*50mm，厚度为3mm)转移至100ml的聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，在120℃条件下进行水热反应4h；将水热反应产物采用超纯水冲洗3次，洗涤至反应产物无粉体脱落，在60℃下干燥24h后，得到负载普鲁士蓝晶体的碳基材料前驱体(pb@cf)；
[0084]
以10℃/min的升温速率由室温升温至800℃，将所述碳基材料前驱体在ar气氛800℃条件下碳化6h，冷却至室温后得到碳基材料(nzvi@cf800)
[0085]
实施例3
[0086]
在60ml的超纯水中加入1.32g铁氰化钾(k3[fe(cn)6])和0.5g葡萄糖(α-d-c6h
12
o6)，在室温、650r/min条件下搅拌5min后得到混合液；再加入1ml浓盐酸使混合液ph值为1，继续搅拌5min后使盐酸分散均匀，得到前驱液；
[0087]
将所述前驱液和0.5g碳毡基底(cf，尺寸为20*50mm，厚度为3mm)转移至100ml的聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，在120℃条件下进行水热反应4h；将水热反应产物采用超纯水冲洗3次，洗涤至反应产物无粉体脱落，在60℃下干燥24h后，得到负载普鲁士蓝晶体的碳基材料前驱体(pb@cf)；
[0088]
以10℃/min的升温速率由室温升温至900℃，将所述碳基材料前驱体在在ar气氛900℃条件下碳化6h，冷却至室温后得到碳基材料(nzvi@cf900)。
[0089]
实施例4
[0090]
在60ml的超纯水中加入1.32g铁氰化钾(k3[fe(cn)6])和0.5g葡萄糖(α-d-c6h
12
o6)，在室温、650r/min条件下搅拌5min后得到混合液；再加入1ml浓盐酸使混合液ph值为1，继续搅拌5min后使盐酸分散均匀，得到前驱液；
[0091]
将所述前驱液和0.5g碳毡基底(cf，尺寸为20*50mm，厚度为3mm)转移至100ml的聚
四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，在120℃条件下进行水热反应4h；将水热反应产物采用超纯水冲洗3次，洗涤至反应产物无粉体脱落，在60℃下干燥24h后，得到负载普鲁士蓝晶体的碳基材料前驱体(pb@cf)；
[0092]
以10℃/min的升温速率由室温升温至1000℃，将所述碳基材料前驱体在在ar气氛1000℃条件下碳化6h，冷却至室温后得到碳基材料(nzvi@cf1000)。
[0093]
测试例1
[0094]
对实施例1～4中制备的碳基材料前驱体(pb@cf)和碳基材料(nzvi@cf700～1000)进行表征、xrd分析和xps分析，结果如下所示。
[0095]
图1为实施例1～4中制备的碳基材料前驱体(pb@cf)放大500倍的sem谱图，图2为实施例1～4中制备的碳基材料前驱体(pb@cf)放大100000倍的sem谱图。由图1和图2可知，在碳基体表面形成一层紧凑的分布均匀的普鲁士蓝晶体(pb)，使碳基体表面变得更加粗糙。
[0096]
图3为实施例1～4中制备的碳基材料前驱体(pb@cf)的xrd谱图。从图3可知，在2θ＝26.22
°
处有一个明显的特征衍射峰，对应于碳基体的(002)晶面(参照标准卡jcpds no.75-1621)，同时，在2θ＝17.37
°
、35.16
°
、39.49
°
、50.67
°
、53.89
°
、57.17
°
、66.23
°
、68.99
°
处分别具有不同高低的特征衍射峰，分别对应于普鲁士蓝晶体的(100)、(200)、(210)、(220)、(300)、(310)、(320)和(321)晶面(参照标准卡jcpds no.01-0239)，这表明成功制备了碳基材料前驱体(pb@cf)。
[0097]
图4为实施例1制备的碳基材料(nzvi@cf700)的sem谱图。由图4可知，通过700℃碳化后，碳基材料前驱体中普鲁士蓝晶体开始破碎，在碳毡基底的表面开始形成纳米零价铁颗粒。
[0098]
图5为实施例2制备的碳基材料(nzvi@cf800)的sem谱图。由图5可知，通过800℃碳化后，碳基材料前驱体中普鲁士蓝晶已经破碎，在碳毡基底表面形成大量的分布均匀的直径约为200～300nm球型的纳米零价铁颗粒，大大增加了活性位点的接触面积。
[0099]
图6为实施例3制备的碳基材料(nzvi@cf900)的sem谱图。由图6可知，通过900℃碳化后，碳基材料前驱体中普鲁士蓝晶完全破碎，碳毡基底表面也开始破损，在碳毡基底里面出现纳米零价铁颗粒。
[0100]
图7为实施例4制备的碳基材料(nzvi@cf1000)的sem谱图。由图7可知，通过1000℃碳化后，碳基材料前驱体中碳毡基底表面破损，在碳毡基底里面存在分布均匀的纳米零价铁颗粒。
[0101]
图8为实施例1～4制备的碳基材料和碳毡基底的xrd谱图。由图8可知，虽然样品中出现了一些杂质峰，但是碳毡基底和nzvi@cf700～1000都有以2θ＝26.22
°
为中心的特征衍射峰，对应于碳毡基底的(002)晶面(参照标准卡jcpds no.75-1621)，这表明碳毡基底具有良好的结构稳定性。同时，nzvi@cf700～1000在2θ＝44.35
°
、64.53
°
和81.65
°
处分别含有不同高低的特征衍射峰，对应于nzvi的(110)、(200)和(211)晶面(参照标准卡jcpdsno.85-1410)，这也表明了通过简便的水热碳化二步法成功制备了nzvi@cf700～1000纳米材料。此外，可以很明显的看到相对于700℃、900℃和1000℃碳化温度制备的负载型纳米零价铁掺杂碳基材料而言，在800℃碳化温度下制备的nzvi@cf800材料具有更加明显的纳米零价铁的特征衍射峰，表明nzvi@cf800的nzvi含量更高，具有更好的吸附还原能力。
[0102]
图9为实施例1～4制备的碳基材料的xps能谱图。由图9可知，实施例1～4制备的碳基材料均有明显的c、o、fe三种元素的吸收峰，相对于nzvi@cf700、nzvi@cf900和nzvi@cf1000而言，nzvi@cf800的o和fe元素含量更高。
[0103]
图10为实施例2制备的碳基材料(nzvi@cf800)的fe 2p高分辨率xps能谱图。由图10可知，在707.10ev和718.56ev处存在明显的吸收峰，分别属于fe0的2p
3/2
峰和2p
1/2
峰。
[0104]
测试例2
[0105]
对实施例1～4制备的碳基材料的吸附性能进行测试，测试方法为：
[0106]
分别称取70mg的碳材料(具体为厚度为3mm、尺寸为5*20mm的碳毡基底)和实施例1～4制备的碳基材料(nzvi@cf700～1000，具体为厚度为3mm、尺寸为5*20mm)，加入到装有50ml浓度为10mg/l、ph为4的含铀离子水溶液的烧杯中，在氩气气氛水浴恒温25℃的条件下进行吸附3h，反应进行时每隔一定时间(如图11所示)取上清液，采用偶氮砷iii分光光度法检测吸附前后铀酰离子的浓度。测试结果如下所示。
[0107]
图11为碳材料和实施例1～4制备的碳基材料对含铀离子水溶液的吸附情况示意图。从图11可知，在相同条件下，碳毡基底几乎没有吸附作用；而本发明制备的碳基材料具有很好的吸附效果，进一步表明本发明制备的碳基材料均能在120min内便能吸附90％以上的铀酰离子，其中以nzvi@cf800吸附效果最佳，这可能归因于与其他吸附材料相比，nzvi@cf800的nzvi的含量最高，具有最多的nzvi反应活性位点，去除速率更快。
[0108]
图12为实施例2制备的碳基材料吸附铀离子前后的xps全谱图。从图12可知，吸附后的xps全谱中，在382.35ev和391.00ev处发现了明显的u4f
7/2
和u4f
5/2
键能峰，表明铀酰离子成功负载到了nzvi@cf800上。
[0109]
图13为实施例2制备的碳基材料吸附铀离子前后的高分辨率u 4f光谱图。从图13可知，u(vi)的4f
7/2
和4f
5/2
峰位于382.57ev和393.40ev处，而相应的u(iv)峰出现在381.75ev和392.48ev处。此外，根据峰面积拟合，我们计算出u(vi)峰强度与u(iv)峰强度比值为43.2：56.8，从而证实了u(vi)的还原。
[0110]
图14为实施例2制备的碳基材料吸附铀离子前后的xrd图谱。由图14可知，在26.01
°
处nzvi@cf800-u中仍存在碳毡基底的特征峰(002)，表明在吸附材料和uo
22+
作用过程中碳毡基底相对稳定。吸附后在14.16
°
处的特征峰对应于feooh的(020)晶面(参照标准卡jcpds no.70-0714)，在35.68
°
处特征峰对应于fe2o3的(119)晶面(参照标准卡jcpds no.25-1402)，这表明fe0吸附还原uo
22+
时被氧化为feooh和fe2o3。同时，在12.03
°
和28.28
°
处出现的高峰分别对应uo3·
2h2o的(002)晶面(参照标准卡jcpds no.18-1436)和uo2的(111)晶面(参照标准卡jcpds no.41-1422)，这可能是由于feooh羟基的协同络合uo
22+
的水解沉淀和fe0对uo
22+
的还原作用导致的，这表明nzvi@cf800成功对uo
22+
进行了吸附和还原。
[0111]
测试例3
[0112]
称取70mg的实施例2制备的碳基材料(nzvi@cf800，具体为厚度为3mm，尺寸为5*20mm)，加入到装有50ml 10mg/l的不同ph值的含铀离子水溶液的烧杯中(含铀离子水溶液的ph值为2～7)，在氩气气氛水浴恒温25℃的条件下进行吸附5h，反应进行时每隔30min取上清液，采用偶氮砷iii分光光度法检测吸附前后铀离子的浓度。测试结果如下所示。
[0113]
图15为不同ph条件下实施例2制备的碳基材料对铀离子的吸附效果图。由图15可知，由于在碱性环境下铀酰会自发进行沉淀，所以从图15中可以看出nzvi@cf800吸附材料
在酸性、中性的环境下都能很好的吸附还原铀酰净化水中污染物，具有良好的稳定性。
[0114]
测试例4
[0115]
称取70mg的实施例2制备的碳基材料(nzvi@cf800，具体为厚度为3mm，尺寸为5*20mm)，加入到装有50ml 10mg/l的含铀离子水溶液的烧杯中，在氩气气氛、不同水浴恒温温度条件下进行吸附1.5h，反应进行时按照一定时间间(如图16所示)隔取上清液，采用偶氮砷iii分光光度法检测吸附前后铀离子的浓度。测试结果如下所示。
[0116]
图16为不同吸附温度下实施例2制备的碳基材料对铀离子的吸附效果图。由图16可知，nzvi@cf800吸附材料环境温度适应广泛，在不同的温度条件下都可以在极短时间内去除绝大部分铀酰离子。
[0117]
测试例5
[0118]
称取70mg的实施例2制备的碳基材料(nzvi@cf800，具体为厚度为3mm，尺寸为5*20mm)，加入到装有不同浓度的含铀离子水溶液的烧杯中，在氩气气氛水浴恒温25℃的条件下进行吸附2h，反应进行时按照一定时间间隔(如图17所示)取上清液，采用偶氮砷iii分光光度法检测吸附前后铀离子的浓度。测试结果如下所示。
[0119]
图17为实施例2制备的碳基材料针对不同浓度铀离子的吸附效果图。由图17可知，nzvi@cf800吸附材料对于高浓度的铀酰离子溶液同样具有极好的去除效果。
[0120]
测试例6
[0121]
对实施例2所述碳基材料(nzvi@cf800)对铀酰离子的选择性进行测试，测试方法为：
[0122]
分别称取70mg的实施例2制备的碳基材料nzvi@cf800(具体为厚度为3mm，尺寸为5*20mm)，加入到装有50ml40mg/l的含铀离子和0.001mol/l不同阴、阳离子水溶液的烧杯中，在氩气气氛水浴恒温25℃的条件下进行吸附，吸附3h后取上清液，采用偶氮砷iii分光光度法检测吸附前后铀酰离子的浓度。测试结果如下所示。
[0123]
图18为不同阳离子条件下实施例2所述碳基材料对铀离子的吸附效果图。由图18可知，与只含有40mg/l铀酰离子的对照组相比，所有阳离子对nzvi@cf800去除uo
22+
的影响均较小，uo
22+
的去除率均可达到90％以上。
[0124]
图19为不同阴离子条件下实施例2所述碳基材料对铀离子的吸附效果图。由图19可知，阴离子中除了co
32-，nzvi@cf800对uo
22+
的去除率仍可达到90％以上。这主要是由于uo
22+
能与co
32-结合形成具有显著稳定系数的碳酸铀酰配合物，阻碍吸附材料与uo
22+
的反应，因此co
32-表现出一定的抑制作用。从以上分析中可以明显看出，nzvi@cf800对uo
22+
具有优异的选择性，并具有很大的实际应用潜力。
[0125]
测试例7
[0126]
对实施例2制备的碳基材料(nzvi@cf800)针对海水中铀的提取能力进行测试，测试方法为：
[0127]
分别称取70mg的实施例2制备的碳基材料nzvi@cf800(具体为厚度为3mm，尺寸为5*20mm)，加入到装有50ml 5mg/l的含铀离子模拟海水的烧杯中，在氩气气氛水浴恒温25℃的条件下吸附3h，反应进行时按照一定时间间隔(如图20所示)取上清液，采用偶氮砷iii分光光度法检测吸附前后铀酰离子的浓度。测试结果如下所示。
[0128]
图20为实施例2制备的碳基材料针对海水中铀的提取能力测试结果图。由图20可
知，nzvi@cf800在50ml铀酰离子浓度为5mg/l的模拟海水中吸附180min后，uo
22+
去除率达到94.25％，铀吸附容量达到62.66mg/g，证明nzvi@cf800在模拟海水中仍对uo
22+
具有优异的吸附性能。因此，nzvi@cf800在海水提铀领域中具有良好的应用前景。
[0129]
测试例8
[0130]
对实施例2制备的碳基材料(nzvi@cf800)的循环性能进行测试，测试方法为：
[0131]
分别称取70mg的实施例2制备的碳基材料nzvi@cf800(具体为厚度为3mm，尺寸为5*20mm)，加入到装有50ml 40mg/l的含铀离子水溶液的烧杯中，在氩气气氛水浴恒温25℃的条件下进行吸附，吸附3h后取出nzvi@cf800，并将其放在装有50ml的0.5mol/l碳酸钠洗脱剂的烧杯中，室温下进行浸泡解吸，解吸3h后取出，再直接放入装有50ml40mg/l的含铀离子水溶液的烧杯中在相同条件下吸附3h进行循环性能测试。上述过程在反应进行时按照一定时间间隔(如图21所示)取上清液并采用偶氮砷iii分光光度法检测铀酰离子的浓度。测试结果如下所示。
[0132]
图21为实施例2制备的碳基材料三个循环周期试验后对铀离子的吸附效果图。由图21可知，经过三个循环周期试验后，nzvi@cf800的uo
22+
去除率仍优于80％，并且与其他粉末状吸附剂相比，nzvi@cf800方便操作，更有利于实现铀资源的回收。
[0133]
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

技术特征：
1.一种碳基材料，包括碳基体和填充在碳基体孔隙内部以及负载在碳基体表面的纳米零价铁颗粒。2.根据权利要求1所述的碳基材料，其特征在于，所述碳基材料中纳米零价铁颗粒的质量含量为4～6％。3.根据权利要求1或2所述的碳基材料，其特征在于，所述纳米零价铁颗粒的粒径为200～300nm。4.权利要求1～3任一项所述碳基材料的制备方法，包括以下步骤：将铁氰化钾、葡萄糖、ph调节剂和水混合，得到前驱液；将所述前驱液和碳材料混合，进行水热反应，得到碳基材料前驱体；将所述碳基材料前驱体进行炭化，得到所述碳基材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碳材料由碳纤维组成；所述碳材料、铁氰化钾与葡萄糖的质量比为1:2～3:1。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为110～130℃，时间为4～6h。7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述炭化的温度为700～1000℃，时间为6～8h。8.权利要求1～4任一项所述碳基材料或权利要求5～7任一项所述制备方法制备得到的碳基材料在净化含铀废水中的应用。9.一种含铀废水净化方法，包括以下步骤：将碳基材料和含铀废水混合进行吸附；所述碳基材料为权利要求1～4任一项所述碳基材料或权利要求5～7任一项所述制备方法制备得到的碳基材料。10.根据权利要求9所述含铀废水净化方法，其特征在于，所述碳基材料和含铀废水的固液比为1.2～1.6g/l。

技术总结
本发明提供了一种碳基材料及其制备方法和应用、含铀废水净化方法，涉及水处理技术领域。本发明所述碳基材料，包括碳基体和填充在碳基体孔隙内部以及负载在碳基体表面的纳米零价铁颗粒。本发明通过在碳基体内掺杂纳米零价铁以及将纳米零价铁颗粒负载在碳基体表面，碳基材料能够加大纳米零价铁颗粒的扩散，有效防止纳米零价铁颗粒团聚和氧化的缺陷，提高了碳基材料中的纳米零价铁颗粒的稳定性。将本发明所述碳基材料应用于含铀废水净化，对铀离子的去除效果优异，并且本发明的碳基材料回收过程中没有毒性、腐蚀性和放射性，不会造成二次污染。污染。污染。


技术研发人员：曾庆意 彭国文 郭帅帅 张清彦 唐国龙 曾庆明 郝云蛟 陈艳琳 陶鑫宇
受保护的技术使用者：南华大学
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/10/7