柚子皮活性炭對(duì)鈾的吸附性能研究

常 蘭，向容瑤，張 梅

(1.核工業(yè)西南物理研究院，成都 610041；2．成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614007)

我國(guó)南方地區(qū)大量種植柚子，是產(chǎn)柚子大國(guó)。柚子皮占全重的50%左右，通常未利用就作為生活垃圾拋棄，造成極大的浪費(fèi)。相關(guān)研究表明，柚子皮的白色絮狀物中含大量的孔隙和纖維組織，其類(lèi)似于椰殼和玉米秸稈，可以制備成一種具有較豐富的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)質(zhì)活性炭,柚子皮活性炭是一種優(yōu)良的生物質(zhì)吸附劑[1]。

在核燃料和核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生的含鈾放射性廢水，若未妥善處理，會(huì)對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境造成危害[2]。鈾的毒性很強(qiáng)并具有致癌性，會(huì)引起急性腎功能衰竭以及大腦、肝臟和心臟等疾病，因此，廢水中鈾的去除和回收的研究越來(lái)越受到關(guān)注和重視[3]。目前，廢水中鈾的去除方法較多，傳統(tǒng)方法主要有蒸發(fā)濃縮法、離子交換法、混凝沉淀法、膜分離法等[4]。生物質(zhì)做吸附劑的吸附法與傳統(tǒng)方法相比，具有來(lái)源豐富、操作簡(jiǎn)單、成本低廉、吸附速率快等優(yōu)點(diǎn)[5～7]。

本文以食品廢棄物柚子果皮作為碳源，制備活性炭，把它作為吸附劑來(lái)處理廢水中的鈾，旨在探索一條農(nóng)業(yè)廢棄物資源利用和放射性核素處理的技術(shù)方法，為工業(yè)處理含鈾廢水提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 柚子皮活性炭的制備

取新鮮柚子皮洗凈并剪成小塊，再經(jīng)清理、干燥、粉碎,過(guò)30目篩后放入瓷坩堝中,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的氯化鋅溶液作為活化劑，攪拌混勻后在室溫下浸漬12h。將浸漬好的料液放入馬弗爐600℃高溫中灼燒兩個(gè)小時(shí)?；罨玫脑嚇尤〕隽⒓吹谷臌}酸溶液中洗滌至洗滌液的pH接近7。洗滌好后放入恒溫干燥箱中于85℃下烘干12h,待冷卻后,粉碎過(guò)65目篩，即得到柚子皮活性炭[1]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

向250mL容量瓶中加入一定量的鈾溶液，用10%的鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH，再加入一定量的吸附劑，在一定溫度下置于水浴恒溫振蕩器中以120r/min振蕩進(jìn)行吸附反應(yīng)，待一定時(shí)間后，靜置幾分鐘取上清液放入離心機(jī)中以2 500r/min轉(zhuǎn)速離心后，再移取3mL上層清液，用可見(jiàn)分光光度法測(cè)定溶液中鈾的含量，計(jì)算出去附率和吸附量。并分別測(cè)定pH值、不同吸附時(shí)間、鈾初始質(zhì)量濃度、溫度等對(duì)鈾吸附效果的影響。

1.3 吸附性能指標(biāo)計(jì)算方法

吸附率和吸附量的計(jì)算分別如下公式(1)和(2)所示[6]：

(1)

(2)

式中：m—吸附劑的投加量 g；C0、Ce—初始、平衡時(shí)鈾濃度 mg/L；V—鈾溶液體積 L。

1.4 吸附等溫線

對(duì)不同溫度下的柚子皮活性炭吸附鈾的等溫吸附數(shù)據(jù)分別用Langmuir和 Freundlich等溫吸附方程進(jìn)行分析[8]。

Langmuir等溫吸附方程：

(3)

Freundlich等溫吸附方程：

lnQe=lnKf+nlnCe

(4)

其中Qmax—最大吸附量(mg/L)；b—和自由能有關(guān)的常數(shù)(L/mg)；

Kf—Freundlich常數(shù)；n—非線性系數(shù)。

2 結(jié)果和討論

2.1 pH對(duì)鈾吸附性能的影響

圖1 pH值對(duì)鈾吸附的影響Fig.1 Effect of pH value on the adsorption of uranium

2.2 吸附時(shí)間對(duì)吸附的影響

由圖2中曲線的走勢(shì)可以表明，吸附時(shí)間不斷增加，柚子皮活性炭與溶液中的鈾酰離子接觸更為充分，致使吸附率和吸附量逐漸增加。在吸附前60min吸附曲線呈直線上升趨勢(shì)，吸附速率很快，到100min基本達(dá)到吸附平衡，但實(shí)驗(yàn)為了保證吸附完全達(dá)到飽和，故實(shí)驗(yàn)最終確定的吸附平衡時(shí)間為120min。

圖2 時(shí)間對(duì)鈾吸附的影響Fig.2 Effect of time on the adsorption of uranium

2.3 鈾初始濃度對(duì)吸附的影響

由圖3可以得出，在鈾初始濃度低于30mg/L時(shí)，吸附率低于25%，說(shuō)明柚子皮活性炭在較低濃度鈾下富集作用較低，吸附能力較弱，而在30～200mg/L初始鈾濃度下，吸附率達(dá)到70%～90%，這主要是因?yàn)樵谝欢舛确秶鷥?nèi)，鈾酰離子能夠與柚子皮活性炭接觸充分，使得富集較多的鈾酰離子與活性炭發(fā)生吸附作用，當(dāng)鈾初始濃度增加到一定濃度后，由于吸附劑的量有限，無(wú)法吸附過(guò)量的鈾酰離子，致使吸附達(dá)到平衡，吸附率隨之下降。因此，柚子皮活性炭更為適宜作為中低濃度鈾的吸附劑。

圖3 鈾初始濃度對(duì)鈾吸附的影響Fig.3 Effect of initial concentration on the adsorption of uranium

2.4 吸附劑的投加量對(duì)吸附的影響

由圖4可以得出，鈾的吸附率隨著柚子皮活性炭投加量的不斷增加而不斷增大。當(dāng)柚子皮活性炭投加到2.5g時(shí)，鈾的吸附率達(dá)到97.15%，繼續(xù)增加柚子皮活性炭的量，吸附率變化也不大。然而吸附量隨著柚子皮活性炭投加量的增加反而減少，這主要是因?yàn)殍肿悠せ钚蕴客都恿康脑黾邮刮降目偙砻娣e增加即活性位點(diǎn)的數(shù)目增加，單位吸附量就會(huì)相應(yīng)減少，從而使鈾吸附率減小，影響吸附劑的使用效率，不利于實(shí)際應(yīng)用。

圖4 柚子皮活性炭投加量對(duì)鈾吸附的影響Fig.4 Effect of PPAC dosage on the adsorption of uranium

2.5 溫度對(duì)吸附的影響

由圖5可以得出，隨著溫度的上升，柚子皮活性炭對(duì)鈾酰離子的吸附率和吸附量逐漸上升，但增幅較小。25℃時(shí)，吸附率為73.23%，吸附量為2.20mg/g；55℃時(shí)吸附率為86.51%，吸附量為2.60mg/g；吸附量增加了0.4mg/g。這說(shuō)明溫度的升高有利于柚子皮活性炭對(duì)鈾酰離子的吸附。

圖5 溫度對(duì)鈾吸附的影響Fig.5 Effect of temperature on the adsorption of uranium

2.6 吸附等溫線

將298K、308K、318K時(shí)柚子皮活性炭對(duì)鈾的吸附用Langmuir和Freundlich模型來(lái)描述。圖6為擬合的吸附等溫線，由圖6可知，Langmuir等溫吸附模型擬合的R2達(dá)到了0.99，大于Freundlich等溫吸附模型的R2值0.92，說(shuō)明柚子皮活性炭吸附鈾酰離子的過(guò)程很好的符合Langmuir等溫吸附模型，說(shuō)明其吸附過(guò)程是單層吸附。

圖6 Langmuir和Freundlich 等溫吸附線Fig.6 Langmuir and Freundilich isotherms for the adsorption of uranium by PPAC

由公式和擬合的直線方程計(jì)算各項(xiàng)參數(shù),結(jié)果列于下表中。從表中也可以看出吸附量和溫度呈正相關(guān)，理論最大吸附容量由10.77mg/g升高到12.10mg/g，升溫促進(jìn)吸附反應(yīng)的進(jìn)行。吳素強(qiáng)[9]等用椰殼活性炭和改性椰殼活性炭為原料對(duì)鈾進(jìn)行吸附，吸附容量分別為 3.01 mg/g和 3.62 mg/g。本文研究發(fā)現(xiàn)柚子皮活性炭對(duì)鈾的理論最大吸附容量為12.10mg/g ，說(shuō)明柚子皮活性炭是一種吸附性能優(yōu)異的生物質(zhì)吸附劑。

表 柚子皮活性炭對(duì)鈾的Langmuir、Freundlich吸附模型擬合參數(shù)Tab. Constants of Langmuir, Freundlich isotherms for uranium adsorption by PPAC

仝海娟[10]等用柚子皮生物炭處理含錳廢水，對(duì)錳離子的去除率為93.5%，理論飽和吸附量為24.691 mg/g；張雙杰[11]等用柚子皮水熱炭對(duì)六價(jià)鉻進(jìn)行了吸附，吸附率和吸附容量為分別為99.03%和6.19 mg/g。說(shuō)明柚子皮活性炭對(duì)其他的重金屬元素也具備優(yōu)良的吸附性能，是一種非常有應(yīng)用價(jià)值和潛力的吸附劑。

3 結(jié) 論

研究了柚子皮活性炭去除水溶液中鈾離子的過(guò)程。在pH=3左右時(shí)，柚子皮活性炭對(duì)溶液中鈾的吸附率最大；柚子皮活性炭對(duì)鈾離子的吸附平衡時(shí)間為120min，平衡吸附量隨著鈾離子初始濃度和吸附劑投加量的增大而增大；隨著溫度的上升，柚子皮活性炭對(duì)鈾酰離子的吸附率和吸附量小幅上升，溫度的升高有利于柚子皮活性炭對(duì)鈾酰離子的吸附；吸附等溫線能更好的被Langmuir 吸附等溫模型擬合，R2值在298K、308K、318K時(shí)均為0.99。綜上所述，利用柚子皮制備活性炭用于去除水溶液中鈾離子是一種操作簡(jiǎn)便，成本低廉并且吸附能力強(qiáng)的方法，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。