花生殼活性炭吸附溶液中的鈾

李小燕，張 明，劉義保，劉云海，李 尋，賀彩婷

（1.東華理工大學 放射性地質與勘探技術國防重點學科實驗室，江西 南昌 330013；2.中國原子能科學研究院，北京 102413）

隨著核工業(yè)的發(fā)展，核電站、鈾礦山水冶系統(tǒng)及乏燃料后處理過程中都會產(chǎn)生含鈾放射性廢水。鈾可由食物、飲水、皮膚等途徑進入人體，對人體造成嚴重的內照射危害［1］。因此，需要去除廢水中的鈾，以降低含鈾廢水對生物的輻射危害。水體中的鈾主要以U（VI）和U（IV）兩種價態(tài)存在，其中，U（IV）容易與無機碳形成穩(wěn)定的絡合物，最終形成沉淀，而U（VI）則通常以UO22+形式存在，可溶性較好，不易去除，故水體除鈾主要是去除U（VI）。

農林廢棄物在我國產(chǎn)量很大。農林廢棄物中含有高分子化合物和木質素，可有效吸附金屬離子［2］。此外，植物細胞壁表面由于擁有諸如羧基、羥基、酰胺以及磷酰基等帶電官能團，能夠通過共價鍵、范德華力、絡合或螯合等作用吸附重金屬［3］。但農林廢棄物對重金屬的吸附容量不高，必須進行一定的處理以提高其吸附容量［4］。活性炭具有豐富的孔隙結構和較大的比表面積，有較強的物理吸附和化學吸附功能，在廢水處理領域得到了廣泛的應用［5］。近年來，國內外對各種價格低廉、來源廣泛的農林廢棄物制備活性炭進行了研究［6-8］?；ㄉ鷼な且环N來源豐富的農業(yè)廢棄物，無毒性，易被生物降解，目前已有不少以花生殼為原料制備活性炭并應用于廢水處理的報道［9-12］。

本工作以農林廢棄物花生殼為原料，氫氧化鉀為活化劑，微波為熱源，制備了花生殼活性炭，并研究了花生殼活性炭對溶液中U（VI）的吸附性能。

1 實驗部分

1.1 材料、試劑和儀器

花生殼：市售生花生剝制。HNO3、NaOH、偶氮胂Ⅲ、2，4-二硝基酚、鹽酸、KOH：分析純，八氧化三鈾：化學純。

用八氧化三鈾配制質量濃度為1 000 mg/L的U（VI）標準溶液，將該溶液稀釋后進行實驗。

722型分光光度計：浙江托普儀器有限公司；THZ82A型恒溫水浴振蕩器：江蘇金壇儀器廠；pHS3C型酸度計：上海雷磁儀器廠；JA1003型電子天平：上海壘固儀器有限公司。

1.2 實驗方法

花生殼活性炭的制備：將花生殼洗凈，于80℃恒溫烘干24 h至恒重，研磨，過孔徑0.3 mm的尼龍篩后，與質量分數(shù)為30%的KOH溶液按質量（g）與體積（mL）比為1∶2浸泡12 h后，在真空干燥箱中于110 ℃烘干，然后在功率為700 W的微波下活化10 min后冷卻。用質量分數(shù)為1%的稀鹽酸洗滌，再用蒸餾水洗滌至pH為中性，在105 ℃下烘干，研磨，過0.15 mm篩，即得花生殼活性炭。

準確稱取一定量的花生殼活性炭置于250 mL錐形瓶中，加入100 mL U（VI）質量濃度為30 mg/L的溶液，用0.5 mol/L的 HNO3或NaOH溶液調節(jié)溶液pH，置于恒溫水浴振蕩器中，在室溫下以150 r/min的轉速振蕩150 min后靜置沉淀，用偶氮胂Ⅲ分光光度法測定溶液中U（VI）的質量濃度［13］，按式（1）和式（2）計算活性炭對U（VI）的吸附量（q，mg/g）和U（VI）去除率（R，%）。

式中：ρ0為初始U（VI）質量濃度，mg/L；ρt為t時刻U（VI）質量濃度，mg/L；V為溶液體積，L；m為活性炭的質量，g。

2 結果與討論

2.1 溶液pH對吸附效果的影響

在初始U（VI）質量濃度為30 mg/L、活性炭加入量為0.5 g/L、吸附時間為150 min的條件下，溶液pH對吸附效果的影響見圖1。由圖1可見：隨著溶液pH的升高，q和R均增大；當溶液pH為5.5時，q和R均達到最大值；繼續(xù)升高溶液pH，q和R均下降。這是因為，活性炭表面帶有大量的—OH、—COOH等活性基團，它們都具有靜電吸附功能［14］，溶液pH較低時，活性炭表面的官能團被質子化，因靜電斥力作用而阻礙向活性炭靠近，故q和R均較小；隨著溶液pH的升高，活性炭表面的官能團被去質子化，與活性炭表面的靜電斥力減?。?5］，有利于接近并吸附在活性炭表面，q和R均增大；當溶液pH過高時，溶液中的U（VI）會以氫氧化物或碳酸鈾酰微粒的形式存在，使吸附過程無法進行，故q和R均減小。本實驗最佳溶液pH為5.5。

圖1 溶液pH對吸附效果的影響

2.2 活性炭加入量對吸附效果的影響

在初始U（VI）質量濃度為30 mg/L、溶液pH為5.5、吸附時間為150 min的條件下，活性炭加入量對吸附效果的影響見圖2。由圖2可見：隨著活性炭加入量的增加，R逐漸提高；當活性炭加入量為0.5 g/L時，R達到最大值；再增加活性炭加入量，R基本上不再提高。這是因為，在初始U（VI）質量濃度一定時，活性炭加入量增加，則增大了吸附的表面積，增加了吸附活性位點［16］，有利于活性炭對U（VI）的吸附，故R逐漸提高；當活性炭加入量增加到一定程度時，由于活性炭顆粒之間的團聚，減小了活性炭與接觸碰撞的幾率，從而影響了活性炭對吸附效果。由圖2還可見：隨著活性炭加入量的增加，q逐漸減小。本實驗最佳活性炭加入量為0.5 g/L。

圖2 活性炭加入量對吸附效果的影響

2.3 初始U（VI）質量濃度對吸附效果的影響

在活性炭加入量為0.5 g/L、溶液pH為5.5、吸附時間為150 min的條件下，初始U（VI）質量濃度對吸附效果的影響見圖3。由圖3可見，隨著初始U（VI）質量濃度的增大，R逐漸降低，而q逐漸增大。這是因為，當初始U（VI）質量濃度較低時，可與活性炭充分接觸并被吸附，故R較高。當活性炭加入量一定時，其含有的活性位點數(shù)量也一定，U（VI）質量濃度的增加會增大溶液中未被吸附的的數(shù)量，導致R下降。由圖3還可見，隨著初始U（VI）質量濃度的增加，q逐漸增大，說明吸附還沒有達到飽和。綜合考慮R和q，本實驗選擇初始U（VI）質量濃度為30 mg/L。

圖3 初始U（VI）質量濃度對吸附效果的影響

2.4 吸附時間對吸附效果的影響

在初始U（VI）質量濃度為30 mg/L、活性炭加入量為0.5 g/L、溶液pH為5.5的條件下，吸附時間對吸附效果的影響見圖4。由圖4可見：隨著吸附時間的延長，R和q均增加；當吸附時間達到150 min后，再延長吸附時間，R和q均增加緩慢，說明吸附已接近平衡。這表明活性炭對U（VI）的吸附是一個比較快速的反應過程，開始時吸附速率快，主要是因為U（VI）的吸附主要發(fā)生在活性炭的外表面，由于孔徑較大，有利于吸附的進行；隨著吸附時間的延長，逐漸進入到活性炭內部的微孔，孔徑變小，在其中的傳質速率減慢［17］，R和q隨吸附時間延長而緩慢增加，直至達到吸附平衡。本實驗最佳吸附時間為150 min。

圖4 吸附時間對吸附效果的影響

2.5 小結

在本實驗選定的初始U（VI）質量濃度為30 mg/L、活性炭加入量為0.5 g/L、溶液pH為5.5、吸附時間為150 min的較佳條件下，花生殼活性炭對U（VI）的去除效果較好，q為56.37 mg/g，R為93.94%。

3 結論

以農林廢棄物花生殼為原料、氫氧化鉀為活化劑、微波為熱源，制備了花生殼活性炭。在溶液中初始U（VI）質量濃度為30 mg/L、活性炭加入量為0.5 g/L、溶液pH為5.5、吸附時間為150 min的較佳條件下，q為56.37 mg/g，R為93.94%，該活性炭對溶液中的U（VI）有較好的去除效果。

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