申请日20200113
公开(公告)日20200522
IPC分类号G21F9/12; G21F9/04; G21F9/06
摘要
本发明公开了一种利用KGM‑rGO海绵处理放射性废水的方法，包括：制备魔芋葡甘聚糖‑还原氧化石墨烯海绵;在聚苯乙烯泡沫的上表面开设容纳槽，将魔芋葡甘聚糖‑氧化石墨烯海绵嵌入聚苯乙烯泡沫的容纳槽内，然后将嵌有魔芋葡甘聚糖‑氧化石墨烯海绵的聚苯乙烯泡沫加入放射性废水中，采用氙灯对露出放射性废水外的魔芋葡甘聚糖‑氧化石墨烯海绵进行光照，实现对放射性废水的蒸发处理，同时放射性废水中的放射性离子被魔芋葡甘聚糖‑氧化石墨烯海绵吸附。本发明的KGM‑rGO海绵制备过程简单，可高效处理太阳能驱动的放射性废水，该KGM‑rGO海绵具有良好的吸水性、光热性、保温性和快速的输运性，提高了水的蒸发效率，蒸发后放射性废水中放射性元素的浓度明显降低。
权利要求书
1.一种利用KGM-rGO海绵处理放射性废水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将氧化石墨烯分散于去离子水中，超声，得到氧化石墨烯溶液;然后将魔芋葡甘聚糖加入氧化石墨烯溶液中，在室温下混合搅拌12～36h，冷冻成块后，真空冷冻干燥;将干燥的固体样品加入反应釜中，同时加入KOH溶液和无水乙醇，将反应釜放入烘箱中于75～85℃保温6～10h，取出后真空冷冻干燥得到魔芋葡甘聚糖-还原氧化石墨烯海绵;
步骤二、在聚苯乙烯泡沫的上表面开设容纳槽，将魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵嵌入聚苯乙烯泡沫的容纳槽内，将放射性废水加入透明容器中，然后将嵌有魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的聚苯乙烯泡沫加入放射性废水中，使魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的一半浸入放射性废水中，另一半在放射性废水的外面，采用氙灯对露出放射性废水外的魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行光照，实现对放射性废水的蒸发处理，同时放射性废水中的放射性离子被魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵吸附。
2.如权利要求1所述的利用KGM-rGO海绵处理放射性废水的方法，其特征在于，所述步骤一中，氧化石墨烯与去离子水的质量体积比为0.1g:100mL;所述超声的时间为3～5h，超声的功率为功率为300W，超声频率为35kHz。
3.如权利要求1所述的利用KGM-rGO海绵处理放射性废水的方法，其特征在于，所述步骤一中，氧化石墨烯与魔芋葡甘聚糖的质量比为1:8～12;所述KOH溶液的浓度为0.2～0.4mol/L;所述KOH溶液和无水乙醇的体积比为1:1;所述氧化石墨烯与KOH溶液的质量体积比为0.1g:100mL。
4.如权利要求1所述的利用KGM-rGO海绵处理放射性废水的方法，其特征在于，真空冷冻干燥的温度为-50℃～-40℃;真空度1.5～5.5帕。
5.如权利要求1所述的利用KGM-rGO海绵处理放射性废水的方法，其特征在于，所述步骤二中，放射性废水与氧化石墨烯的体积质量比为100mL:0.1g。
6.如权利要求1所述的利用KGM-rGO海绵处理放射性废水的方法，其特征在于，所述氙灯的功率为300W，辐照强度为1kW/m2;对放射性废水的辐照时间为：处理100mL放射性废水辐照60min。
7.如权利要求1所述的利用KGM-rGO海绵处理放射性废水的方法，其特征在于，所述放射性废水中UO22+的浓度为0.1～20g/L、CS+的浓度为0.1～20g/L、Sr2+的浓度为0.1～20g/L。
8.如权利要求1所述的利用KGM-rGO海绵处理放射性废水的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯替换为改性氧化石墨烯;所述改性氧化石墨烯的制备方法为：将氧化石墨烯和氨基酸加入超临界反应装置中，然后将体系密封，通入二氧化碳至15～35MPa、温度50～60℃下的条件下搅拌反应90～120min，卸压，干燥，得到预改性氧化石墨烯;将预改性氧化石墨烯加入水中，超声，得到预改性氧化石墨烯分散液;将预改性氧化石墨烯分散液加入高压反应釜中，然后加入辐照处理后的黄原胶，在150～185℃的条件下，搅拌反应30～45min，沉淀、洗涤，干燥，得到改性氧化石墨烯。
9.如权利要求8所述的利用KGM-rGO海绵处理放射性废水的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯与氨基酸的质量比为1:12～15;所述预改性氧化石墨烯与水的质量比为1:50～120;所述氧化石墨烯与辐照处理后的黄原胶的质量比为1:0.1～0.5;所述氨基酸为L-半胱氨酸或L-谷氨酰胺;所述辐照处理后的黄原胶的辐照方法为：将黄原胶加入密封容器中，然后将该密封容器置于1.5MeV、30mA的电子加速器中进行辐照处理;辐照采用的辐照剂量率为50～100kGy/h，辐照剂量为500～800kGy。
10.如权利要求1所述的利用KGM-rGO海绵处理放射性废水的方法，其特征在于，所述步骤一中，在氧化石墨烯溶液中加入N,N-亚甲基-双丙烯酰胺;所述氧化石墨烯与N,N-亚甲基-双丙烯酰胺的质量比为1:0.1～0.5;将得到的魔芋葡甘聚糖-还原氧化石墨烯海绵置于低温等离子体处理仪中处理5～10min;所述低温等离子体处理仪的气氛为氮气;所述低温等离子体处理仪的频率为30～55KHz，功率为35～50W，氮气的压强为20～50Pa。
说明书
利用KGM-rGO海绵处理放射性废水的方法
技术领域
本发明涉及废水处理领域，具体涉及一种利用KGM-rGO海绵处理放射性废水的方法。
背景技术
随着核技术的应用，放射性废水越来越多地以各种方式产生，包括核电站的运行、铀矿开采和放射医学研究。为了保护人体健康，处理危害严重的放射性废水，人们开发了生物法、电化学法、化学沉淀法、光催化、吸附法等。然而，这些方法只着重于放射性核素的富集。废水的减容处理对放射性废水的处理也具有重要意义。因此，迫切需要同时满足放射性废水的减容和放射性核素的富集这两方面的高质量要求，这是处理放射性废水的两个最重要的方面。相比之下，太阳能驱动的界面蒸发不仅是解决这些问题的一种有前途的方法，而且是一种低碳节能的方法。
太阳能驱动的界面蒸发是指阳光转化的热能在水与空气界面传递到水分子，水分子不断转化为水蒸气。太阳能驱动的界面蒸发作为一种获取太阳能和分离水中可溶污染物的有效方法，在海水淡化、污水处理、发电和生活用水加热等方面都有应用。近年来，人们开发了多种材料，包括黑色纳米金属氧化物、等离子体金属颗粒、碳基太阳能吸收材料等，以提高太阳能转换效率。在这些材料中，碳基太阳能吸收材料因其固有的宽带光吸收、低成本、低热发射和低毒等特性而被广泛应用。
目前已有石墨烯、还原氧化石墨烯、碳纳米管、碳基杂化等典型碳材料的报道，可作为界面光引发的蒸气转化吸收剂。然而，碳纳米结构在水中容易聚集，并且容易受到体积变化和动态流体的应力影响。由于碳材料的使用寿命和可复用性的限制，碳材料很难在各种环境治理中得到广泛应用。此外，太阳能吸收材料往往具有膜结构，由于其连续的光热转换面和与本体水的直接接触，通过热扩散造成了巨大的热损失。
本发明基于魔芋葡甘聚糖(KGM)和还原氧化石墨烯(rGO)复合材料制备的超亲水、高水下弹性、低成本的整体海绵，开发了一种高效的太阳能驱动的界面蒸发法处理放射性废水。KGM是一种天然的可再生聚合物，含有大量的羟基，为海绵提供亲水性。rGO是一种广泛使用的吸收剂，它能使海绵在整个太阳光谱上表现出宽带吸收。此外，rGO与KGM在冷冻干燥形成的三维网络中相互作用，形成具有独特性质的黑色KGM/rGO海绵。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种利用KGM-rGO海绵处理放射性废水的方法，包括以下步骤：
步骤一、将氧化石墨烯分散于去离子水中，超声，得到氧化石墨烯溶液;然后将魔芋葡甘聚糖加入氧化石墨烯溶液中，在室温下混合搅拌12～36h，冷冻成块后，真空冷冻干燥;将干燥的固体样品加入反应釜中，同时加入KOH溶液和无水乙醇，将反应釜放入烘箱中于75～85℃保温6～10h，取出后真空冷冻干燥得到魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵;
步骤二、在聚苯乙烯泡沫的上表面开设容纳槽，将魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵嵌入聚苯乙烯泡沫的容纳槽内，将放射性废水加入透明容器中，然后将嵌有魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的聚苯乙烯泡沫加入放射性废水中，使魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的一半浸入放射性废水中，另一半在放射性废水的外面，采用氙灯对露出放射性废水外的魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行光照，实现对放射性废水的蒸发处理，同时放射性废水中的放射性离子被魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵吸附。
优选的是，所述步骤一中，氧化石墨烯与去离子水的质量体积比为0.1g:100mL;所述超声的时间为3～5h，超声的功率为功率为300W，超声频率为35kHz。
优选的是，所述步骤一中，氧化石墨烯与魔芋葡甘聚糖的质量比为1:8～12;所述KOH溶液的浓度为0.2～0.4mol/L;所述KOH溶液和无水乙醇的体积比为1:1;所述氧化石墨烯与KOH溶液的质量体积比为0.1g:100mL。
优选的是，真空冷冻干燥的温度为-50℃～-40℃;真空度1.5～5.5帕。
优选的是，所述步骤二中，放射性废水与氧化石墨烯的体积质量比为100mL:0.1g。
优选的是，所述氙灯的功率为300W，辐照强度为1kW/m2;对放射性废水的辐照时间为：处理100mL放射性废水辐照60min。
优选的是，所述放射性废水中UO22+的浓度为0.1～20g/L、CS+的浓度为0.1～20g/L、Sr2+的浓度为0.1～20g/L。
优选的是，所述氧化石墨烯替换为改性氧化石墨烯;所述改性氧化石墨烯的制备方法为：将氧化石墨烯和氨基酸加入超临界反应装置中，然后将体系密封，通入二氧化碳至15～35MPa、温度50～60℃下的条件下搅拌反应90～120min，卸压，干燥，得到预改性氧化石墨烯;将预改性氧化石墨烯加入水中，超声，得到预改性氧化石墨烯分散液;将预改性氧化石墨烯分散液加入高压反应釜中，然后加入辐照处理后的黄原胶，在150～185℃的条件下，搅拌反应30～45min，沉淀、洗涤，干燥，得到改性氧化石墨烯。
优选的是，所述氧化石墨烯与氨基酸的质量比为1:12～15;所述预改性氧化石墨烯与水的质量比为1:50～120;所述氧化石墨烯与辐照处理后的黄原胶的质量比为1:0.1～0.5;所述氨基酸为L-半胱氨酸或L-谷氨酰胺;所述辐照处理后的黄原胶的辐照方法为：将黄原胶加入密封容器中，然后将该密封容器置于1.5MeV、30mA的电子加速器中进行辐照处理;辐照采用的辐照剂量率为50～100kGy/h，辐照剂量为500～800kGy。
优选的是，所述步骤一中，在氧化石墨烯溶液中加入N,N-亚甲基-双丙烯酰胺;所述氧化石墨烯与N,N-亚甲基-双丙烯酰胺的质量比为1:0.1～0.5;将得到的魔芋葡甘聚糖-还原氧化石墨烯海绵置于低温等离子体处理仪中处理5～10min;所述低温等离子体处理仪的气氛为氮气;所述低温等离子体处理仪的频率为30～55KHz，功率为35～50W，氮气的压强为20～50Pa。
本发明至少包括以下有益效果：本发明的KGM-rGO海绵(KGS)制备过程简单，可高效处理太阳能驱动的放射性废水，该KGM-rGO海绵具有良好的吸水性、光热性、保温性和快速的输运性，提高了水的蒸发效率，蒸发后放射性废水中放射性元素的浓度明显降低。即使在辐射和酸性条件下，KGM-rGO海绵仍能保持较高的蒸发率和对放射性废水的净化效率。结果表明，基于太阳能驱动界面蒸发的KGM-rGO海绵能有效地处理放射性废水，并能以更节能的方式富集各种放射性核素。（发明人竹文坤;何嵘;段涛;杨帆;周建;陈涛;俞开福）