吸附法分離提取鍶的研究進(jìn)展

高曉雷，郭 探，張慧芳，李 權(quán)，葉秀深，吳志堅(jiān)

(1. 中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所，青海 西寧810008；2. 中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049)

1 概述

從水溶液中分離提取鍶，主要基于兩方面的考慮：①放射性廢棄物隨著核工業(yè)的發(fā)展大量產(chǎn)生，其中放射性廢水對(duì)環(huán)境有著較大危害，核廢物處理已成為當(dāng)今世界重大環(huán)境問(wèn)題之一。90Sr是高放廢液中壽命較長(zhǎng)的高釋熱裂變產(chǎn)物，所占放射性份額較大，因此要把高放廢液變?yōu)橹械头艔U液，去除90Sr是十分關(guān)鍵的一步[1-2]。②隨著全球高新技術(shù)和家電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)碳酸鍶及其他鍶產(chǎn)品的需求不斷增加，原料供應(yīng)日趨緊張，僅靠傳統(tǒng)的從固體礦中提取鍶已經(jīng)滿足不了需求[3-4]。油田水、鹽湖鹵水中含有豐富的液體鍶資源，若能找出適宜的分離提取方法，對(duì)這些液體鍶資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用[5]，則可以彌補(bǔ)固體礦的不足。

鍶的分離提取方法，主要有液膜法[6]、色譜法[7]、萃取法[8-9]、吸附法[10-11]等。由于一般情況下，液體體系中鍶的含量不是很高，采用吸附法分離具有操作工藝簡(jiǎn)單、分離成本低、分離效果好等優(yōu)勢(shì)。因此，本文對(duì)吸附法從溶液中分離提取鍶的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，對(duì)吸附機(jī)理等進(jìn)行分析，以期對(duì)以后的研究工作有所幫助。

2 不同吸附劑對(duì)鍶的吸附

2.1 無(wú)機(jī)離子交換劑

2.1.1 天然與合成沸石

沸石為含水的架狀硅酸鹽晶體，是由SiO4和AlO4四面體構(gòu)成的三維空間晶體，其晶體結(jié)構(gòu)特征是每個(gè)氧原子同時(shí)為兩面二個(gè)硅﹙鋁﹚氧四面體所共有，四面體以共頂角的形式向三維空間延伸，形成三維架狀結(jié)構(gòu)。王金明等進(jìn)行了沸石對(duì)核素Sr2+吸附性能的實(shí)驗(yàn)研究，采用間歇法研究了沸石在不同條件下對(duì)模擬核素Sr2+的吸附性能，為評(píng)價(jià)中、低核放射性廢物處置效果提供了參考依據(jù)[12]。葉明呂等用靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法研究了90Sr在沸石中的吸附與遷移行為，結(jié)果表明，沸石對(duì)90Sr的吸附性很強(qiáng)[13]。沸石對(duì)Sr2+的吸附以化學(xué)吸附為主，物理吸附不是決定因素[14]。沸石的交換容量受溶液酸度和含鹽量影響很大，在一定條件下，沸石對(duì)Sr2+的平衡吸附量隨著鍶溶液pH值的增大而增大。改性處理天然沸石和合成高交換容量的人工沸石是沸石類(lèi)交換劑研究的熱點(diǎn)，用NaAlO2、Na2O·SiO2和NaOH合成的A型沸石對(duì)Sr2+和Cs+都有較好的吸附性能[15]，Na A-X型斜發(fā)沸石從Sr2+的水溶液中吸附效果較好，同時(shí)人工合成X型沸石對(duì)含有鈉濃度是鍶濃度400～500倍的溶液中的鍶吸附，顯示出較好的選擇性[16]。

2.1.2 沸石之外的無(wú)機(jī)礦物

海泡石是一種富含多種礦物質(zhì)和有機(jī)物的具有較強(qiáng)吸附性和粘合性的非金屬礦。張小禮等進(jìn)行了海泡石捕集廢水中鍶的研究，通過(guò)研究pH 值、海泡石加入量、活化，以及攪拌后沉淀時(shí)間對(duì)去除率的影響，最后得出海泡石捕集廢水中鍶的最佳工藝條件為：海泡石提純、活化后，在質(zhì)量濃度為10 g L-1，pH=8，高速攪拌5 min后沉淀2 h，廢水中Sr2+質(zhì)量濃度最低可降到0.067 mg L-1，低于國(guó)家規(guī)定的0.11 mg L-1的排放標(biāo)準(zhǔn)[17]。

花崗巖能夠吸附放射性核素，故可作為阻滯劑?；◢弾r對(duì)Sr2+的吸附為線性吸附，對(duì)Cs+的吸附為非線性吸附[18]。葉明呂等研究了各種因素對(duì)花崗巖吸附Sr2+、Cs+的影響[19]，結(jié)果顯示，花崗巖對(duì)Sr2+的吸附量不大，因此要想利用花崗巖作為良好的阻滯劑，需要進(jìn)行改性處理。蒙脫石、高嶺石、凹凸棒石屬于含水層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽黏土礦物，均具有良好的離子吸附性能，天然凹凸棒石的吸附容量雖然比蒙脫石要低，但是卻具有后者不具備的選擇性。范智文等對(duì)黏土作為核廢物處置回填材料的研究表明：以蒙脫石礦物為主的黏土具有良好的吸附性能[20]。 Bascetin E 研究了蒙脫石和高嶺石混合黏土對(duì)Sr2+的吸附性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，混合黏土通過(guò)離子交換作用對(duì)Sr2+進(jìn)行吸附，具有較大的吸附容量[21]。美國(guó)專(zhuān)利4775494中,Rowsell在固化有害物質(zhì)及放射性液體介質(zhì)中加人了沸石、蒙脫石、海泡石、坡縷石等礦物[22]。

近年來(lái)，對(duì)天然原料進(jìn)行改性處理成為工作的熱點(diǎn)，用改性的凹凸棒石對(duì)Sr2+、Cs+進(jìn)行吸附，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在堿性、氧化條件下，對(duì)Sr2+、Cs+有更好的吸附效果[23-24]。我國(guó)礦土資源豐富，在核廢物處理方面，上述礦物黏土具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，若能對(duì)其進(jìn)行有效的改性，將會(huì)對(duì)我國(guó)核事業(yè)做出相應(yīng)的推動(dòng)。

2.1.3 沸石之外的合成無(wú)機(jī)離子交換劑

銻酸對(duì)Sr2+有一定的選擇性，可用于水中Sr2+的分離。李明愉等以三氧化二銻為原料，雙氧水為氧化劑，經(jīng)氧化回流制備了聚銻酸無(wú)機(jī)離子交換劑，該聚銻酸離子交換劑對(duì)鍶-釔混合溶液中的鍶具有較好的選擇性吸附能力[25-26]。在處理放射性廢液時(shí)，無(wú)機(jī)離子交換法目前大多采用磷酸鹽類(lèi)物質(zhì)作交換劑。顏庭政等合成了一種以焦磷酸鹽為骨架的具有特殊選擇性的高效提鍶離子篩，它在2.0 mol L-1HNO3的介質(zhì)中，對(duì)Sr2+的交換容量為1.52 mol g-1。作者探討了該提鍶離子篩實(shí)際應(yīng)用的可能性[27]。

為改進(jìn)無(wú)機(jī)離子交換劑的綜合性能，可以制備復(fù)合無(wú)機(jī)離子交換劑，例如，用水合五氧化二銻-磷鉬酸銨復(fù)合無(wú)機(jī)離子交換劑吸附Sr2+時(shí)，不僅吸附性能好，而且復(fù)合交換劑的化學(xué)穩(wěn)定性、耐輻照性能和水力學(xué)性能也都很好[28]。復(fù)合無(wú)機(jī)離子交換材料大多成型困難或制成的顆粒不規(guī)則。因此，近年來(lái)，用溶膠-凝膠法制備的球形復(fù)合交換劑引起了人們的關(guān)注。該方法可以將交換劑復(fù)合到凝膠小球中或凝膠小球的表面上，使交換劑顆粒變大。用溶膠-凝膠的方法制備的水合二氧化鈦-水合五氧化二銻球形復(fù)合無(wú)機(jī)離子交換劑，具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，在弱酸性條件下對(duì)Sr2+有較高的交換容量[29]。臧春梅采用溶膠-凝膠方法首先合成水合二氧化鈦微球，以此為基體合成出了水合二氧化鈦-磷鉬酸銨球形復(fù)合無(wú)機(jī)離子交換劑[30]。用溶膠-凝膠的方法制備的復(fù)合交換劑，成型好且穩(wěn)定，有良好的選擇性和較高的交換容量。但是濕凝膠小球干燥時(shí)體積收縮較大，一些復(fù)合材料的凝膠小球干燥時(shí)容易破碎。因而，同時(shí)具有良好的離子交換性能及機(jī)械性能的球形復(fù)合無(wú)機(jī)離子交換劑，仍是研究的熱點(diǎn)之一。

多價(jià)金屬的(過(guò)渡金屬)的水合氧化物和氫氧化物大都具備兩性交換的性質(zhì)。如用KMnO4-FeSO4進(jìn)行氧化還原反應(yīng)形成的MnO(OH)2和Fe(OH)3的混合沉淀來(lái)處理90Sr的廢水，除90Sr率可達(dá)到99.1%～99.8%。此混合沉淀物對(duì)90Sr的去除率與pH有很大關(guān)系。在酸性范圍內(nèi)，除鍶率很低，隨pH上升而顯著提高，到pH為8時(shí)達(dá)到90%，pH為10時(shí)達(dá)到99%。這與水合氧化錳的羥基在堿性介質(zhì)中解離出H+并進(jìn)行交換有關(guān)。

鋁鐵的氧化物和氫氧化物對(duì)鍶也有較好的吸附效果，特別是經(jīng)加熱處理后，除鍶效率顯著增高，這是由于加熱后表面積增大的原因。此外，它在堿性溶液中能高效吸附鍶，也是由于水合羥基解離出可用于交換的H+所致。但是溶液中的離子濃度和pH值對(duì)吸附分配系數(shù)有明顯的影響。

2.2 有機(jī)離子交換樹(shù)脂

典型的離子交換樹(shù)脂是由苯乙烯和二乙烯苯交聯(lián)共聚而成，按照結(jié)合的基團(tuán)不同，離子交換樹(shù)脂可分為陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和陰離子交換樹(shù)脂，用于吸附分離Sr2+的主要是陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。將含有3 mg L-1的氯化鈣和氯化鍶溶液通過(guò)裝有磺基陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(Ky-2)的交換柱，鍶離子通過(guò)柱的瀝濾比鈣離子慢得多，故Ky-2樹(shù)脂可用來(lái)從含鈣的廢液中分離出放射性的鍶[31]。

Grahek等用乙醇的硝酸溶液作為流動(dòng)相，用強(qiáng)堿性離子交換樹(shù)脂DOWEX從堿金屬和堿土金屬離子的混合溶液中分離Sr2+，結(jié)果表明，分離效果受溶液極性和硝酸濃度及pH值的影響，當(dāng)硝酸濃度為0.2 mol L-1時(shí)分離效果最好[32]。上述的有機(jī)樹(shù)脂與無(wú)機(jī)離子交換材料相比，具有再生能力強(qiáng)、裝置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但耐熱性差、抗輻射性差、會(huì)產(chǎn)生廢液污染等缺點(diǎn)，也在一定程度上限制了其應(yīng)用。

2.3 其他吸附劑

除了上述的吸附劑外，還有學(xué)者用不同的材料設(shè)計(jì)制備了其他的吸附劑?；钚蕴吭诮Y(jié)構(gòu)上由于微晶碳是不規(guī)則排列，在交叉連接之間有細(xì)孔，在活化時(shí)會(huì)產(chǎn)生碳組織缺陷，因此它是一種多孔碳，堆積密度低，比表面積大，適合作吸附劑，常用于污水處理、尾氣吸收等。國(guó)外學(xué)者利用活性炭對(duì)Sr2+進(jìn)行吸附，吸附效果較好。但是，此類(lèi)吸附劑應(yīng)用的障礙在于活性炭不具有對(duì)Sr2+選擇性，難用于實(shí)際工業(yè)操作。碳納米管具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、光學(xué)性能和電化學(xué)性能，具備了優(yōu)良吸附劑的潛在條件。Yavari等用改性的碳納米管對(duì)模擬核廢水中的Sr2+進(jìn)行了吸附研究，發(fā)現(xiàn)吸附可在較高pH環(huán)境下進(jìn)行，吸附平衡時(shí)間短，吸附容量可達(dá)到6.62 mg g-1[33]。但碳納米管的制備成本高，選擇性也不夠理想。

近幾年，以自然界含量豐富的且具有可降解性及生物兼容性的生物物質(zhì)作為吸附劑，除去廢水中的Sr2+，正逐漸成為相關(guān)人員研究的熱點(diǎn)。如：翟茂林等以基于多聚糖衍生物的凝膠體，研究其對(duì)Sr2+的吸附行為，陽(yáng)離子交換機(jī)理為吸附的主要原因，且這種吸附劑經(jīng)濟(jì)，環(huán)境友好，為廢水中Sr2+的處理提供了新的思路[34]。生物苔蘚內(nèi)含有Ca2+，可用作天然離子交換劑來(lái)吸附核素Co2+和Sr2+[35]，細(xì)綠萍也被嘗試用作Sr2+和Cs+的吸附劑，取得了滿意的結(jié)果[36]。除此之外，利用廢棄的啤酒酵母菌作為生物吸附劑吸附溶液中的Sr2+，為微生物吸附放射性核素的相關(guān)研究提供參考，同時(shí)也作為未來(lái)鍶吸附劑研究的重要發(fā)展方向。

3 吸附機(jī)理

3.1 靜電作用

沸石、凹凸棒石等無(wú)機(jī)離子交換劑和有機(jī)離子交換樹(shù)脂吸附Sr2+時(shí)，發(fā)生了Sr2+與吸附劑上原有離子之間的離子交換，靜電作用是Sr2+與吸附劑之間的主要作用力。沸石吸附鍶的過(guò)程中，借助水的滲濾作用進(jìn)行陽(yáng)離子的交換，沸石中的其他離子與鍶離子進(jìn)行交換。沸石的晶體結(jié)構(gòu)是由硅(鋁)氧四面體連成的三維格架，格架中有大小不同的空穴和通道，具有較大的開(kāi)放性。吸附后鍶離子和水分子均分布在沸石的空穴和通道中，與格架的聯(lián)系較弱，這樣就有利于鍶離子的洗脫。不同的離子交換對(duì)沸石結(jié)構(gòu)的影響很小。

與沸石類(lèi)似，凹凸棒石對(duì)鍶的吸附也是以離子交換為主要方式，靜電作用也是重要的吸附機(jī)制。Sr2+取代凹凸棒石的可交換離子Na+，占據(jù)凹凸棒石層間位和八面體位，部分是多面體斷鍵所發(fā)生的吸附，其結(jié)果導(dǎo)致凹凸棒石的結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化，使結(jié)晶度下降，晶格發(fā)生畸變。改性過(guò)的沸石與凹凸棒石的吸附性能有明顯提高，是由于它們的吸附晶格網(wǎng)面增多，且晶格分布更加均勻。

當(dāng)靜電作用為主要的吸附機(jī)制時(shí)，吸附劑的選擇性較差，離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響較大，溶液的酸堿度對(duì)吸附的影響也較大。因?yàn)檎{(diào)節(jié)酸堿度時(shí)，要向溶液中引入酸或堿，隨酸或堿引入溶液中的陽(yáng)離子，會(huì)和Sr2+產(chǎn)生離子交換競(jìng)爭(zhēng)。

3.2 絡(luò)合作用

Sr2+的絡(luò)合作用較強(qiáng)，能與較多的有機(jī)官能團(tuán)產(chǎn)生絡(luò)合作用，含有這些有機(jī)官能團(tuán)的吸附劑吸附Sr2+時(shí)，絡(luò)合作用是重要的吸附機(jī)制。生物類(lèi)吸附劑吸附鍶時(shí)，羧酸根等有機(jī)基團(tuán)對(duì)Sr2+的絡(luò)合作用也是重要的機(jī)制。

Sr2+靠絡(luò)合機(jī)制吸附時(shí)，有時(shí)也會(huì)和吸附劑上原有的離子產(chǎn)生交換，但Sr2+與吸附劑之間的作用以絡(luò)合作用為主，這種作用一般比靜電作用強(qiáng)。當(dāng)絡(luò)合作用為主要吸附機(jī)制時(shí)，離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響有時(shí)不那么強(qiáng)，但溶液酸堿度對(duì)吸附的影響往往仍然比較大，因?yàn)镾r2+吸附劑上的有些官能團(tuán)是弱酸或弱堿，溶液酸堿度變化后，對(duì)這些官能團(tuán)的絡(luò)合能力影響較大。

3.3 篩分效應(yīng)

篩分效應(yīng)不是一個(gè)獨(dú)立的作用機(jī)制，它是在靠靜電作用或絡(luò)合作用等吸附Sr2+的過(guò)程中，附加了根據(jù)Sr2+(或其水合離子)的大小而進(jìn)行的尺寸選擇。無(wú)機(jī)離子篩吸附Sr2+的過(guò)程中，篩分效應(yīng)都起著重要作用。如果在設(shè)計(jì)制備吸附劑時(shí)，既能考慮Sr2+所產(chǎn)生的特效作用，又能考慮篩分效應(yīng)，則可以進(jìn)一步提高吸附劑的選擇性。

4 結(jié)論

對(duì)鍶的關(guān)注，主要基于其廣泛的工業(yè)應(yīng)用及其放射性核素的環(huán)境效應(yīng)。在液膜法、色譜法、萃取法、吸附法等鍶的分離提取方法中，吸附法引起了普遍的重視。依據(jù)實(shí)際用途的不同，對(duì)吸附劑的制備和吸附過(guò)程的具體考慮也有所不同：處理放射性核廢棄物中的鍶時(shí)，出于成本考慮，往往采用天然吸附材料，或?qū)μ烊晃讲牧线M(jìn)行改性后進(jìn)行吸附，對(duì)選擇性要求不是那么高，對(duì)脫附的考慮往往是希望不易脫附，以免造成放射性鍶對(duì)環(huán)境的二次或多次污染；從液體礦中分離提取鍶時(shí)，往往采用人工合成的特效鍶吸附劑，既保證有較高的吸附容量，又保證有較好的選擇性，同時(shí)還要考慮脫附問(wèn)題和吸附劑的循環(huán)使用問(wèn)題。

鍶吸附劑對(duì)鍶的吸附機(jī)制，主要有靜電作用、絡(luò)合作用、篩分效應(yīng)等。當(dāng)靜電作用為主要的吸附機(jī)制時(shí)，吸附劑的選擇性較差，離子強(qiáng)度和溶液的酸堿度對(duì)吸附的影響往往比較較大；當(dāng)絡(luò)合作用為主要吸附機(jī)制時(shí)，離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響有時(shí)不那么大，但溶液酸堿度對(duì)吸附的影響往往仍然比較大；篩分效應(yīng)是在靠靜電作用或絡(luò)合作用等吸附Sr2+的過(guò)程中，附加了根據(jù)Sr2+(或其水合離子)的大小而進(jìn)行的尺寸選擇。

用吸附法分離提取鍶時(shí)，吸附劑的設(shè)計(jì)制備是核心問(wèn)題，因而制備吸附容量高、選擇性好的鍶特效吸附劑一直很受關(guān)注。在設(shè)計(jì)制備吸附劑時(shí)，如果既能考慮Sr2+所產(chǎn)生的特效作用，又能考慮篩分效應(yīng)，則可在基本保證吸附容量的前提下，進(jìn)一步提高吸附劑的選擇性。尋找高效選擇性的生物吸附劑，以及利用復(fù)合技術(shù)制備鍶特效吸附劑，是未來(lái)鍶吸附劑研究的重要發(fā)展方向。

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