RS-HM树脂对环境水体中微量钍的吸附条件及机理研究

RS-HM树脂对环境水体中微量钍的吸附条件及机理研究佚名
【摘要】随着我国工业水平的飞速提升,环境问题受到越来越多的重视,尤其是溶液中放射性废物的回收与利用.利用RS-HM树脂对溶液中钍离子(Th4+)进行吸附性能的研究,分别对含钍废液的pH值、初始浓度、吸附时间和温度进行探究,并对树脂进行了FT-IR、SEM表征分析.实验得到RS-HM树脂对钍的吸附最佳pH为3.5,最佳吸附温度是25℃,吸附时间为480min.同时钍离子(Th4+)溶液浓度为6mg·L-1,可以达到最佳的吸附效果,此时的吸附量为52.49mg/g,吸附率为84.29％.故将RS-HM树脂用来处理含钍的放射性废水,吸附率高,吸附速率快.
【期刊名称】《江西化工》
【年(卷),期】2018(000)006
【总页数】5页(P167-171)
【关键词】含钍(Th4+)废水;RS-HM树脂;吸附
【正文语种】中文
1 绪论
化石能源的过度使用，导致能源枯竭以及环境污染。

为解决这些问题，核能蓬勃发展，并且核电成为了世界能源的重要组成部分。

其中钍资源被开发利用，由此带来的放射性废物污染问题，尤其是含钍废水如何处理的问题不能被忽视。

在稀土冶金中钍成为污染环境的主要放射性元素，其中含钍废水也是重要污染物[1]。

故本文着重探讨RS-HM树脂对溶液中的钍离子的吸附能力。

含钍的矿物主要有独居石、方钍石、钍石、铀钍矿等。

世界各国目前已经探明的独居石储量高达几百万吨，并且随着全世界对钍矿的勘探力度提高大，钍矿的探明储量也在随之增加[2]。

我国钍资源比较丰富，约有20多个省和地区都已发现具有相当数量的钍资源。

如此丰厚的钍矿资源是我国核燃料发展前景中重要基石[3]。

RS-HM树脂是一种可以在低浓度下快速吸附分离铜、镍等重金属元素的树脂。

与传统螯合型树脂相比，有着更大的吸附容量、更快的吸附速度和优秀的再生效率。

RS-HM树脂常常被用于处理电镀废水中重金属离子回收，去除溶液中的金属离子污染物，湿法冶金中浓缩和提纯，去除下水道中的重金属等。

2 实验过程
2.1 实验设备与试剂
主要仪器：电子天平(AE160)德国梅特勒-托利多公司；pH计(PHS-3C)上海雷磁创意仪器仪表、分光光度计(SP-721E)上海光谱、磁力搅拌器(DF-101S)巩义市予华仪器有限公司、振荡器(ZW)上海智城仪器；红外光谱仪(FTS-65A)美国Bio-RAD公司；扫描电镜(Nova Nano 450)荷兰FEI公司
实验试剂：尿素(上海泰坦)；盐酸(国药)；氢氧化钠(西陇化工)；草酸(阿拉丁)；抗坏血酸(阿拉丁)；偶氮胂的重金属等。

的再生效率。

，钍矿的探明储量也在随之增加染物，实验用水为去离子水。

RS-HM树脂(华中科技大学提供)
2.2 吸附实验操作
准确称取一定量RS-HM树脂，投加到50mL钍标准溶液中，在室温下振荡一定时间后，抽滤，将树脂与吸附后溶液分离，防止树脂影响吸光度测定。

移取吸附后溶液5mL移入25mL容量瓶中，分别加入8%草酸溶液、10%尿素溶液、5%抗坏血酸溶各1ml，摇匀后加入2mL的0.5g/L偶氮胂g/L别加6M盐酸溶液的定容至刻度，摇匀，静置20min。

在波长的=650nm处采用分光光度法以试剂空白作参比测定溶液的吸光度[4，5]，并绘制标准曲线。

通过吸附前后溶液中钍的浓度变
化，计算吸附容量。

3 实验结果分析
3.1 材料的表征
3.1.1 FT-IR表征分析
关于吸附前后RS-HM树脂的红外光谱图如图3.1所示：
图3.1 红外光谱图
图中在1626.5cm-1、1624.1cm-1处有吸收峰，可归属为羰基C=O的伸缩振动，而图中3260.8cm-1、3042cm-1处的吸收峰，可归属为酰胺基的(N-H)伸缩振动峰[7]。

1400cm-1左右的吸收峰，可以归属为C-N的吸收峰。

而1100左右的3
个峰为C-C的吸收峰。

其中1500左右的峰发生了移位说明钍离子被吸附，RS-HM树脂吸附钍离子是结构发生变化。

3.1.2 SEM表征分析
关于吸附前后RS-HM树脂的扫描电镜图及特征X射线能谱数值，如下图表。

图3.2 吸附前(左)·后(右)RS-HM树脂的扫描电镜图片表3-1 吸附前RS-HM树脂
的特征X射线能谱数值
Elementk RatioWt%Atomic %C吸附前0.2488949.9758.83吸附后
0.2664344.1763.26O吸附前0.1588338.7034.20吸附后0.1381231.1133.45Na 吸附前0.0522711.336.97吸附后0.020742.171.63Th吸附前0.000000.000.00
吸附后0.0961122.551.67
从图3-2可知，RS-HM树脂为颗粒状，表面粗糙且沟壑纵深，颗粒直径约为
600μm，吸附前后样品表面形态几乎没有变化。

同时根据表3-1吸附前后能谱元
素含量对比，发现吸附后钍元素含量大幅提升，说明RS-HM树脂对钍有吸附作用，而树脂中钠元素含量降低，说明该吸附过程可能是钍与树脂表面基团钠发生置换。

3.2 静态吸附
3.2.1 吸附酸度
溶液pH不仅会影响吸附剂表面基团的活性和电荷性质，同时还会影响钍离子在溶液中的存在形态，故选择适当的溶液pH，观察其对吸附的影响效果[6，7]。

分别调节pH为1.0、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0，10.0，进行吸附实验。

震荡24小时后测量吸附后溶液的吸光度，求出溶液浓度，按照式(1)计算出吸附量。

溶液pH 值变化对RS-HM树脂对钍离子的吸附量如图3.3所示。

图3.3 溶液pH值变化对RS-HM树脂吸附钍离子的吸附量的影响
从图中可以看出，溶液pH值改变对RS-HM树脂吸附钍离子影响非常明显。

在pH大于等于3.5时，吸附量基本达到最大值。

考虑到pH过高后钍离子容易水解沉淀，并RS-HM树脂的的工作范围为pH为2.0-5.0，最后选择3.5作为吸附的最佳pH。

3.2.2 吸附时间的影响
图3.4 吸附时间对RS-HM树脂吸附钍(Ⅳ)的影响
将钍标准溶液pH调至3.5，进行吸附实验。

吸附时间选择5min、15min、
30min、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、4h、6h、8h、12h、24h和48h。

吸附后测量溶液吸光度并计算溶液浓度，按照式(1)计算出吸附量。

如图3.4所示，随着吸附时间的增加，RS-HM树脂对钍离子的吸附量也随着增加。

480min时吸附已基本达到平衡，吸附量趋于稳定。

根据上述实验数据，进行准一级和准二级吸附动力学模型的线性拟合。

以log(qe-qt)对t作图得图3.5(左)，即为准一级吸附动力学拟合曲线，同时根据拟合所得截距和斜率计算出k1和qe1。

以t/qt对t作图得图3.5(右)，即为准二级吸附动力学拟合曲线，同时根据拟合所得截距和斜率计算出k1和qe2。

表3-2为RS-HM 树脂对钍离子的吸附动力学参数，以及拟合曲线的线性相关系数R1和R2。

由表3-2，可知R22(0.999)大于R12(0.989)，可以得出吸附钍的动力学用拟二级
动力学模型比拟一级动力学模型拟合效果更好。

同时由方程计算的理论平衡吸附容量，拟二级动力学模型所获得的结果(58.04mg/g)与实验获得的平衡吸附容吻合较好，表明吸附过程更符合拟二级动力学模型。

图3.5 准一级动力学模型拟合曲线(左)和准二级动力学模型拟合曲线(右)表3-2 RS-HM树脂对钍离子的吸附动力学参数
参数类型拟一级动力学模型拟二级动力学模型q1(mg/g)k1R2q2(mg/g)k2R2数值35.162.72×10-30.98958.042.15×10-40.999
3.2.3 初始浓度的影响
实验前将钍的初始浓度设置为3mg/L、6mg/L、9mg/L、12mg/L、15mg/L、30mg/L，调节pH为3.5，设置吸附时间为480min。

待吸附完成后测量吸附后溶液的吸光度，并计算出溶液的钍离子浓度，按照式(1)计算出吸附量。

初始浓度对RS-HM树脂吸附钍离子吸附量的影响如图3.6所示。

如图所示，随着钍离子的的初始浓度逐渐升高，吸附量不断升高。

图3.6 初始浓度对RS-HM树脂吸附钍离子吸附量的影响
将数据进行Langmuir吸附等温模型和Freundlich吸附等温模型拟合。

当初始浓度为3mg/L时，吸光度接近0，可能完全吸附，故该数据可能存在较大误差，于图中以红色点表示，不进行拟合计算。

以Ce/qe对Ce作图得到图3.7左图所示，即为准一级吸附动力学Langmuir附等温模型拟合曲线，同时根据拟合所得截距和斜率计算出KL和qm。

以logqe对logCe作图得图3.7右图，即为准二级吸附动力学Freundlich吸附等温模型拟合曲线，同时根据拟合所得截距和斜率计算出n和KF。

图3.7 Lamgmuir吸附模型拟合曲线(左)和 Frendlich 吸附模型拟合曲线(右)表3-3 RS-HM树脂吸附钍离子的Langmuir和Freundlich吸附等温拟合参数
参数类型Langmuir吸附模型Freundlich吸附模型KLqm(mg/g)RL2KFnRF2数
值1.67222.220.950124.052.510.988
表3-3为Langmuir和Freundlich吸附等温拟合参数，Langmuir吸附等温模型
拟合的线性相关度RL2为0.950，而Freundlich等温模型拟合的线性相关RF2为0.988，故RS-HM树脂对钍离子的吸附行为更加贴合Freundlich吸附等温模型。

3.2.4 吸附温度
温度也是影响吸附效果的重要因素。

吸附温度分别为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、45℃。

是影响吸附效果的重要因素。

吸附温度分别为率计算出点表示，不
进行拟合计算。

3.8可以看出，随着温度的升高RS-HM树脂对钍离子的吸附量在下降，说明RS-HM树脂对钍离子的吸附过程在放热，故RS-HM树脂吸附钍的实验选择在室温下进行。

图3.8 温度对RS-HM树脂吸附钍离子的吸附量的影响
4 结论
经过试验，最终RS-HM树脂对钍的吸附最佳pH为3.5，最佳吸附温度是室温。

钍离子(Th4+)溶液浓度为6 mg·L-1的50mL，吸附剂用量为5mg，吸附时间为480min时可以达到最佳的吸附效果，此时的吸附量为52.49mg/g，吸附率为84.29%。

动力学研究表明，吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等
温方程。

热力学研究表明在一定温度范围内，吸附过程为自发的吸热反应过程。

由此可见此新型材料，并且有着工作条件平和，吸附效率较高，吸附速率快等优点，具有一定的应用价值。

参考文献
【相关文献】
[1]钍的核能利用研究[J].中国科学院院刊，2007(04)：303，305.
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