微纳金属3D打印技术应用:AFM探针?

【摘要】:水法分离技术在核燃料循环中扮演着非常重要的角色。为了提高资源利用率和减少放射性及有毒有害核素对环境的威胁,促进核能的可持续发展,研究开发更高效的新分离方法和新材料意义深远。溶剂浸渍吸附材料结合了传统萃取技术的高选择性和吸附技术的操作简便性,在放射化学分离领域具有广阔的应用前景。石墨烯气凝胶(GA)是一种三维石墨烯结构材料,具有超疏水性、低密度、高孔隙率、稳定的化学性质以及强韧的机械性能,在作为溶剂浸渍吸附材料基体材料方面具有较大的应用潜力。本工作采用GA作为基体材料,用其浸渍有机萃取剂,制备了石墨烯气凝胶-溶剂浸渍吸附材料(Graphene Adsorbent,GA-SIA),考察了GA作为基体材料负载有机萃取剂的性能,研究了GA-SIA对水体中金属离子的吸附分离性能,探索了基于GA-SIA的放化分离方法。在GA-SIA的制备过程中,首先是采用改进的Hummers方法以鳞片石墨为源材料制得氧化石墨烯(GO),再以GO为前驱体,利用乙二胺作为还原剂,通过溶胶凝胶法制备GA。随后以GA浸渍有机溶剂制得GA-SIA。采用原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱(Raman)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、接触角分析等分析技术对GO和GA进行表征。并考察了GA浸渍有机溶剂的速率、GA对有机溶剂的负载量、GA-SIA在酸性溶液中的稳定性以及GA-SIA中有机溶剂的脱除方法。结果表明制得的GO剥离程度好(为单层及部分三层堆叠的GO纳米片)、质量较高。用其制得的GA具有多孔三维网状结构,属于超轻(孔径在20-50μm左右,孔隙率99.8%,密度为4.5 mg·cm-3)超疏水(接触角150°)材料。GA对有机溶剂的浸渍速率快(最快可达40.7 g·g-1·s-1)、吸附容量高(比同类型吸附材料大2-3个数量级)。由于GA具有较好的压缩回弹性、热与化学稳定性,可通过机械挤压、燃烧等方法脱除GA-SIA上所负载的有机溶剂,实现GA的重复利用。GA-SIA的特异选择性取决于其所浸渍的有机萃取剂,可方便地根据目标物质选择不同的萃取剂实现GA-SIA的模块化设计,使其体现出不同的选择性。在本工作中,首先选用磷酸三丁酯(TBP)和四辛-3-氧戊二醇-1,5-二酰胺(TODGA)为功能萃取剂,制备了对应的GA-SIA(GA-TPB和GA-TODGA),分别研究了其对水溶液中U和Th的吸附性能。结果显示:GA-TPB和GA-TODGA对U和Th的吸附效率均依赖于萃取剂浓度及水相料液酸度,遵从分配比规律。GA-TPB和GA-TODGA对U和Th的饱和吸附容量分别为316.3和66.8 mg·g-1,均大于同类型吸附材料。另外,还对GA-SIA上吸附的金属离子的洗脱进行了研究,并通过吸脱附循环测试证明了GA-SIA的可重复利用性。考虑到GA-SIA可以模块化设计,并具有优异的金属离子吸附性能,针对高放废液中典型金属离子的分离,本工作还提出了基于GA-SIA的两种分离策略。在“分组”分离策略中,制备了GA-DMHMP、GA-DCH18C6、及GA-TODGA三种GA-SIA材料,利用不同GA-SIA的选择性实现了Th/U、Sr及RE金属离子的“分组”分离;在“一把抓”策略中,利用TODGA对Th、U、Sr及RE金属离子的较强萃取性能,以GA-TODGA作为吸附材料,可以去除高放废液中大部分的金属离子,较大程度地降低高放废液的放射性水平。与传统高放废液处理方式相比,基于GA-SIA的处理工艺操作简单,具有较好的应用前景。综上所述,由于GA优良的有机溶剂负载性能,以其为基体材料制备的溶剂浸渍吸附材料具有制备及操作过程简单、可模块化设计、金属离子吸附性能强、可重复利用等特点。可以根据需求场景的不同,快速、批量、模块化地制备获得具有高选择性及效率的GA-SIA吸附材料,用于放射性金属离子的处理。与传统水法分离技术相比,GA-SIA工艺操作简单、处理效率高,并能有效减少二次废物产生,在放化分离领域具有较好的应用前景。


3D生物打印技术在复杂结构和多细胞组织器官构筑方面具有不可替代的优势。生物3D打印墨水日益成为制约3D打印组织工程领域发展的瓶颈,其可打印性和物化性能,对细胞行为和命运的调控是构筑组织器官,实现再生的关键。水凝胶是含大量水的三维交联网络材料,具有类细胞外基质的特征,可用于生物3D打印。然而,水凝胶材料存在凝胶-溶胶转变慢、支撑强度弱等问题,打印精度和结构稳定性有待改善。光交联、增稠剂或支持浴等策略可部分地解决这些难题,但增加了打印工艺的复杂程度,增大了生物毒性等风险。解决水凝胶材料可打印性与结构稳定性之间的矛盾,实现温和条件下的快速打印,构筑高精度仿生组织工程支架,是生物3D打印领域亟待解决的关键科学问题。

中山大学付俊教授团队发明了由微凝胶生物3D打印墨水,研究发现,微凝胶可通过氢键组装为宏观水凝胶(bulk hydrogel),具有典型的触变性能、快速自愈合性能和一定的机械强度,可在常温条件下直接打印构筑复杂组织工程支架(图1)。

编者按:本文转载自微信公众号 ,作者:老酒高分子


我要回帖

更多关于 金属3d打印设备 的文章

 

随机推荐