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1、SiO2纳米干凝胶的合成和表征·类 别：矿产开发·作 者：张裕卿王林双姜云鹏王榕树·关键词：SiO2纳米干凝胶,比表面积,吸附容量,锆·【内容】· 在动力堆乏燃料后处理流程的高放废液中含有大量的锆(浓度约0.01mmol/L),在用磷酸三丁酯为萃取剂的PUREX流程中,锆很容易与磷酸三丁酯的降解产物形成界面污物,使萃取困难,以至不能进行正常的操作。因此,在后处理流程的首端有必要除去锆、硅胶对裂片产物中的锆具有选择性很高的吸附性能,很多科学家对此进行了大量研究。随着现代科学技术的发展,通
2、过“分子设计”和“化学剪裁”等手段制备和组装出各种纳米材料已经成为现实。90年代以来,利用表面活性剂在溶液中形成的分子有序组合体的各种空间构像作为预组织模板,成功地合成出新一类结构可控的介孔材料。近年来,以聚乙二醇为改性剂,正硅酸乙酯为前驱体合成出了SiO2纳米干凝胶,但是这种方法存在着所用原料比较昂贵,反应周期长等缺。本文通过非离子表面活性剂为模板剂,以盐酸和水玻璃为原料,制备时控制一次粒子的生长和堆积,以期制备出高比表面积、高吸附活性的SiO2纳米干凝胶,成为乏燃料后处理流程中首端除锆的新型
3、材料。1实验部分1.1主要仪器DT-30B型热分析仪,XD-3AX型射线衍射仪,JEOL-100CXⅡ型透射电镜,5DXFT-IR型红外光谱仪,均为日本岛津制作所产品;Chembet-000型BET吸附仪,美国Quanpachrome公司产品;721分光光度计,上海分析仪器厂生产。1.2SiO2纳米干凝胶的制备将适量水玻璃(模数为3.3)放入到温度为30℃的反应釜中,用去离子水稀释到一定浓度,加入一定量的非离子表面活性剂(SA-20或O-9)。溶解后稳定10min,然后在强烈搅拌下滴加一定浓度的
4、盐酸至pH=4.5(以酸度计指示),静置1d。将生成凝胶用蒸馏水洗涤,在20℃下老化一定时间,然后在80℃烘箱中烘干并在一定温度下煅烧1h。最后制备成SiO2纳米干凝胶。实验采用五因素四水平正交试验:水玻璃质量浓度为10,25,40,60g/L;盐酸浓度为1,2,3,5mol/L;表面活性剂质量浓度为20,50,70,90g/L;老化时间为1,3,5,10h;煅烧温度为400,500,600,800℃。1.3对锆的静态吸附将SiO2纳米干凝胶研磨成粒径为0.15~0.25mm的颗粒后,用95%盐
5、酸浸泡活化48h。离心甩干后称取0.1g放入锥形瓶中,并加入20mL模拟高放废液(介质为3mol/LHNO3,废液中Zr,Cr,Fe,Ni,Mo,Cd,Cs,Sr,Ba,Na,Nd的质量浓度分别为0.744,0.117,1.025,0.260,0.209,0.483,0.371,0.119,0.392,1.471,1.839g/L)。然后放在康式振荡器上振荡吸附,定时取样并测定溶液中锆含量,直至溶液中锆离子浓度不变,平衡时间为48h。样品溶液中锆及其它元素的含量用分光光度法测定。2结果和讨论应用
6、正交试验制备的纳米硅胶对锆的静态吸附结果列入表1。从表1看出,在水玻璃质量浓度为40g/L,盐酸浓度为5mol/L,表面活性剂质量浓度为50g/L(SA-20),陈化时间为1h,煅烧温度为600℃时制备的SiO2纳米干凝胶对锆的静态吸附容量最大,为0.344mmol/g。2.1水玻璃浓度的影响水玻璃浓度对纳米硅胶的结构影响很大。水玻璃浓度高时,溶胶会形成大量较小的胶粒,经干燥后形成凝胶时,小球形粒子的堆积紧密,生成的样品孔容小,比表面积大。在样品的表面存在大量具有吸附活性的羟基,从而使纳米硅胶对
7、锆有较大的吸附容量。当水玻璃浓度较小时,则与上面的情况相反。但水玻璃浓度太大时,会很快形成大量很小的二氧化硅溶胶粒子,它们很容易堆积在一起,并且紧密结合,造成二氧化硅干凝胶的表面积减小,比表面积下降。因此,水玻璃质量浓度为40g/L比较适宜。2.2盐酸浓度的影响盐酸与水玻璃发生反应时,盐酸浓度越高反应越快,纳米硅胶的凝胶速度也越快,形成的一次胶球粒子就越小。当较小的一次粒子堆积时,形成的纳米硅胶孔容小、比表面积大,纳米硅胶的活性就强,对锆的吸附容量就高。但是当盐酸浓度太高时,也会形成大量较小的二
8、氧化硅溶胶粒子,它们很容易堆积在一起,并且紧密结合,造成样品的比表面积较小,吸附性能降低。本实验中选用盐酸浓度为5mol/L。2.3表面活性剂的影响表面活性剂对溶胶粒子的交联起着导向作用,促使溶胶粒子形成有序的网络结构,以及比较规整的孔穴和孔道、表面活性剂对纳米硅胶制备过程中孔结构的形成和比表面积的大小起着重要的作用,而且不同的表面活性剂所起的作用也不同。由实验结果看出,在上述最佳工艺条件下选用SA-20和O-9两种表面活性剂制备的纳米硅胶对锆的静态吸附容量分别为0.344mmol/g和0.12
