新疆沸石對放射性核素鍶和銫的吸附性能研究

?開發(fā)與研究?

新疆沸石對放射性核素鍶和銫的吸附性能研究

王哲1,2， 李海峰3

(1.西南科技大學 核廢物與環(huán)境安全國防重點學科實驗室 ， 四川 綿陽621010 ； 2.中國科學技術大學 地球與空間科學學院 ， 安徽 合肥230000 ； 3.四川建筑職業(yè)技術學院 ， 四川 德陽618000)

摘要：采用靜態(tài)吸附實驗方法，研究了吸附時間、溶液pH值、吸附劑投加量和溶液初始濃度等因素對新疆沸石吸附Sr2+和Cs+的性能的影響。結果表明：新疆沸石對含Cs+放射性廢水的處理效果要優(yōu)于對含Sr2+的處理效果，其原因在于Cs+離子水合半徑比Sr2+的離子水合離子小，當Sr2+和Cs+與沸石層間Na+、K+、Ca2+和Mg2+等發(fā)生離子交換時，Cs+離比Sr2+離子更易于進入蒙脫石層間而被固定。

關鍵詞：沸石 ； 吸附性能 ； 鍶 ； 銫

中圖分類號：TQ424.23

收稿日期：2015-05-09

基金項目：國家自然科學

作者簡介：王哲(1979-)，男，講師，博士研究生，從事環(huán)境科學、核廢物處理與地質(zhì)處置等相關研究，E-mail：wz2004@126.com。

Study on Adsorption Performance of Zeolite from Xinjiang Province

for Radioactive Strontium and Caesium

WANG Zhe1,2, LI Haifeng3

(1.Nuclear Wastes and Environmental Safety Laboratory , Southwest University of Science and Technology , Mianyang621010 , China ; 2.School of Earth and Space Sciences , University of Science and Technology of China , Hefei230026 , China ; 3.Sichuan College of Architectural Technology , Deyang618000 , China)

Abstract:The static adsorption experiments are carried out to investigate the adsorption performance of strontium and caesium on zeolite in different adsorption time,pH values,adsorbent dosage and initial concentration.These results indicates that the adsorption performance of zeolite for Cs+ is better than Sr2+,and the reason is that hydrated ionic radius of caesium is bigger than hydrated ionic radius of strontium,so that Cs+ is more easily to be adsorbed into the interlayer of zeolite than Sr2+, when Sr2+and Cs+ are respectively exchanged with Na+、K+、Ca2+ and Mg2+ of zeolite.

Key words:zeolite ; adsorption performance ; radioactive waste ; Sr ; Cs

現(xiàn)代科學技術的發(fā)展使核能得以廣泛的應用，其應用范圍涉及工業(yè)、國防、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學和科研等方面，這就不可避免地產(chǎn)生放射性廢液，這些放射性廢水中的核素又主要以裂變產(chǎn)物90Sr和137Cs、未被回收的Pu和U以及大部分超鈾元素為主[1]。特別是日本福島事故發(fā)生后，導致大量放射性物質(zhì)泄漏，排出大量含有放射性鍶和銫的廢水[2-3]，而90Sr和137Cs具有遷移性高和半衰期較長(90Sr，28.8a；137Cs，30.2a)的特點，并且它們在裂變產(chǎn)物總放射性中所占比例隨衰變時間的增加而增大，衰變10年，90Sr和137Cs兩者放射性之和占裂變產(chǎn)物總放射性的91%；衰變20年，達97%；衰變40年達98%[4]。這些廢液由于具有放射性，所以對環(huán)境及人體均會產(chǎn)生不可估量的危害，如何有效地去除放射性廢液中的鍶和銫，一直受到人們的廣泛關注。

1材料與方法

1.1試劑與儀器

試劑：氯化鍶(SrCl2·6H2O )，AR，天津科密歐化學試劑有限公司；氯化銫(CsCl )，AR，天津科密歐化學試劑有限公司；氫氧化鈉(NaOH)，AR，成都長聯(lián)化工試劑有限公司；鹽酸(HCl)，AR，成都長聯(lián)化工試劑有限公司。

儀器：等離子發(fā)射光譜—質(zhì)譜儀(ICP-MS)7500CE，美國 Agilent公司；恒溫臥式振蕩器，IS-RDH1，美國精祺公司；電子天平，BSA224S，德國賽多利斯公司，精度為0.000 1 g；pH測量儀S975 SevenExcellence，梅特勒—托利多國際股份有限公司；臺式高速離心機，TG1850-WS，上海盧湘儀離心機有限公司。

1.2實驗材料及制備

新疆沸石原料主要產(chǎn)自新疆烏魯木齊淺水河地區(qū)下白堊統(tǒng)吐魯番組地層中，由玻屑晶屑凝灰?guī)r和沉凝灰?guī)r水解成巖生成。XRD圖譜分析表明，該沸石樣品的主要礦物組成為絲光沸石、斜發(fā)沸石、葉沸石、石英，含有少量蒙脫石、長石、水云母；主要化學成分為SiO2(67.57%)、Al2O3(13.14%)、Fe2O3(1.8%)、MgO(1.16%)、Na2O(3.79%)、CaO(1.39%)和K2O(1.31%)。將沸石原料研磨至75 μm(200目)，用去離子水進行水洗和提純，并且在105 ℃烘干12 h后密封干燥保存，備用。

1.3實驗方法

在一系列250 mL錐形瓶中分別加入一定量經(jīng)過烘干的75 μm(200目)樣品，樣品中分別加入50 mL不同濃度的SrCl2和CsCl，配成固—液比為1∶500的固液吸附體系，用稀HC1或稀NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH值；將其放入恒溫臥式振蕩器中，之后在25 ℃下恒溫振蕩14 d，使其達到吸附平衡；12 000 r/min離心10 min后取上清液，在等離子發(fā)射光譜—質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定殘余Sr2+和Cs+離子濃度，按照下式計算平衡吸附量。

(1)

(2)

式中：Q為吸附容量，mg/g，η為吸附率，%，V為溶液體積， mL，c0為溶液的初始濃度，mg/L，ct為t時刻溶液的濃度，mg/L，W為吸附劑用量，g。

2結果與討論

2.1時間對吸附性能的影響

分別取Sr2+(濃度為425.3 mg/L)、Cs+(濃度為664.3 mg/L)溶液50 mL于250 mL的錐形瓶中，加入0.1 g的新疆沸石，將pH值調(diào)至6.5~7.0范圍內(nèi)，并在25 ℃下將該固液體系的吸附時間分別設置為0.5 h、1 h、2 h、4 h、8 h、1 d、7 d、14 d和21 d，恒溫振蕩吸附，探討吸附時間對Sr2+、Cs+吸附性能的影響，其結果如圖1所示。由圖1可以看出：在吸附作用開始的24 h內(nèi)，新疆沸石吸附Sr2+、Cs+離子的速度較快，但隨后吸附速度減慢，并隨吸附時間的增加吸附量和吸附率在緩慢增加，21 d后吸附仍未達到平衡，吸附作用仍在緩慢進行。此外，通過圖1還可以看出，新疆沸石對Cs+離子21d附量187.3 mg/g，而對Sr2+離子的21 d吸附量為98.6 mg/g，其單位質(zhì)量新疆沸石對Cs+的吸附量是對Sr2+的吸附量的1.9倍，同時新疆沸石對Cs+離子的最終吸附率也大于對Sr2+離子的吸附率。因此，相同吸附時間條件下，新疆沸石對Cs+離子的吸附性能優(yōu)于對Sr2+離子的吸附。

圖1　吸附時間對Sr 2+和Cs +吸附性能的影響

2.2pH值對吸附性能的影響

圖2　初始pH值對Sr 2+和Cs +吸附性能的影響

新疆沸石在pH值為4~7時，吸附量及吸附率增長較快，pH值>7后，增長速度又變慢并趨于平穩(wěn)，吸附性能穩(wěn)定。

2.3吸附劑加入量對吸附性能的影響

分別取Sr2+(濃度為425.3 mg/L)和Cs+(濃度為664.3 mg/L)溶液50 mL于250 mL的錐形瓶中，分別加入質(zhì)量為0.1、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 g的新疆沸石，用HCl和NaOH將pH值調(diào)至6.5~7.0范圍內(nèi)，25 ℃下恒溫振蕩吸附14 d，探討沸石加入量對吸附性能的影響，其結果見圖3。由圖3可知：新疆沸石對Sr2+、Cs+的吸附率隨著加入量的增加而增大，但單位質(zhì)量沸石的吸附量卻明顯減?。划斝陆惺瘜尤肓繛榇笥?.4 g時，其吸附率基本維持在96%左右而趨于不變，并且明顯高于新疆沸石對Sr2+的吸附率。因此，在相同沸石加入量的條件下，新疆沸石對Cs+的吸附效果優(yōu)于對Sr2+的吸附。

圖3　吸附劑加入量對Sr 2+和Cs +吸附性能的影響

2.4溶液初始濃度對吸附性能的影響

分別取不同濃度的Sr2+(濃度為45.7、96.2、167.2、425.3、820.1和1 812.1 mg/L)、Cs+(濃度為51.8、115.3、260.7、664.3、1 336.7和2 702.2 mg/L)溶液50 mL于250 mL的錐形瓶中，分別加入質(zhì)量為0.1 g的新疆沸石，用HCl和NaOH將pH值調(diào)至6.5~7.0范圍內(nèi)，25 ℃下恒溫振蕩吸附14 d，探討溶液初始濃度對吸附性能的影響，其結果見圖4。由圖4可知：新疆沸石對Sr2+、Cs+的吸附率隨著溶液的初始濃度增大而減小，但吸附量隨著溶液初始濃度的增大而增大。此外，相同初始濃度條件下，新疆沸石對Cs+吸附效果要優(yōu)于對Sr2+的吸附。

圖4　初始濃度對Sr 2+和Cs +吸附性能的影響

3結論

采用靜態(tài)吸附實驗方法，研究了吸附時間、pH值、吸附劑投加量和溶液初始濃度等對新疆沸石吸附Sr2+、Cs+的性能影響。結果表明：新疆沸石對Sr2+、Cs+的吸附量及吸附率隨著pH值增大而增加；吸附率隨著沸石加入量的增加而增大，而單位質(zhì)量沸石的吸附量卻明顯減?。晃搅侩S著溶液初始濃度的增大而增大，而吸附率隨著溶液的初始濃度增大而減小。相同吸附條件下，新疆沸石對Cs+的吸附性能優(yōu)于對Sr2+的吸附性能，并且新疆沸石對低濃度的含放射性核素Sr2+、Cs+的處理效果更好。

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