铀在高岭土上的吸附动力学及热力学研究

铀在高岭土上的吸附动力学及热力学研究

梁诗敏;于涛

【摘要】采用静态法研究了铀(U(Ⅵ))在高岭土上的吸附特性,探讨了pH、离子强度、接触时间、温度、腐殖酸等对U(Ⅵ)在高岭土上吸附的影响.以宏观吸附实验为基础,对高岭土进行X线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征,并讨论了铀(U(Ⅵ))在高岭土上的吸附动力学及热力学行为.结果说明,准二级动力学模型可以用来描述铀在高岭土上的吸附.通过对溶液pH值和离子强度因素的研究,溶液pH值对铀的吸附影响比离子强度对铀的吸附影响更大.在较低pH值下,腐殖酸对吸附有加强的作用;在较高pH值下,腐殖酸对吸附有抑制作用.Freundlich模型可较好地描述高岭土对U(Ⅵ)的吸附过程.高岭土对U(Ⅵ)的吸附为自发且吸热的过程,主要是表面单分子层吸附.

【期刊名称】《河北大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2016(036)006

【总页数】8页(P596-603)

【关键词】高岭土;铀;吸附;动力学;热力学

【作者】梁诗敏;于涛

【作者单位】东华理工大学省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地,江西南昌 330013;东华理工大学核科学与工程学院,江西南昌 330013;东华理工大学省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地,江西南昌 330013;东华理工大学核科学与工程学院,江西南昌 330013

【正文语种】中文

【中图分类】O64

放射性废物是由于核技术的开发和利用所带来的[1]，核技术的发展在给人类带来

了巨大经济效益的同时，也带来了危害.铀矿采冶、核武器生产等核燃料循环表明

了科技的进步，但他们产生的放射性废物进入环境中，潜在地危害了人类的健康，如何来处理这些问题成为了全球性难题[2].含铀废水的直接排放会造成土壤和水的

污染，对人体健康也会造成影响.因而，污水在排入水体前应进行有效的处理[3].在废水处理中，吸附法[4]是一种经过实践证明了的有效的方法，铀的去除率高，操

作简便.而自然界土壤中的黏土矿物是一种很好的吸附材质，它可以将放射性核素

长期滞留在一定区域内[5].作为重要的黏土矿物，高岭土是红壤、膨润土的组成成

分之一，有相对简单的晶体结构，且具有较好的理化性质.

本文着重对U(Ⅵ)在高岭土上的吸附行为进行研究，讨论吸附动力学和吸附热力学，并探讨U(Ⅵ)在高岭土上的吸附机理.

微量铀分析仪(杭州大吉光电仪器有限公司)；数控超声波清洗器(KQ-100DE，昆山市超声仪器有限公司)；X线衍射仪(D/max-400，日本日立公司)；低速离心机(80-2型，上海安亭科学仪器厂).

铀标准溶液，质量浓度为1 000 ng/mL；高岭土悬浮液，质量浓度为1 g/L；腐

殖酸溶液，质量浓度为1 g/L；NaCl溶液，1 mol/L；LiCl溶液，1 mol/L；KCl

溶液，1 mol/L，CaCl2溶液，1 mol/L；实验过程中所有溶液配置均采用超纯水. U(Ⅵ)在高岭土上的吸附实验按照实验要求分别在4个温度下进行.在某一温度下，首先分别取2 mL的高岭土悬浮液及0.5 mL的铀标准溶液置于一定数量的250

mL锥形瓶，根据不同的实验条件，再分别加入一定量的HA、LiCl、NaCl、KCl

或CaCl2溶液，定容至50 mL，恒温振荡一定时间.U(Ⅵ)的吸附达到平衡后，移

取15 mL溶液于离心管中，在一定速度下离心10 min，再取上清液5 mL，以微量铀分析仪分析U(Ⅵ)的含量，计算U(Ⅵ)在高岭土上的吸附百分数，进而求出

U(Ⅵ)的吸附量.

用下面的(1)式来计算U(Ⅵ)在高岭土上的吸附百分数[6]

结晶较好的高岭土通常呈六边形层片状结构 [8].从图1可以看出，该高岭土颗粒的形貌主要为六边形层片状结构，不同结构的粒径不同，通常为0.1～1 μm.颗粒的表面凹凸不平，有较多突起及沟壑，颗粒周围紧密伴生着其他细粒矿物.

XRD测试在D/max-400型X线衍射仪上进行.图2为高岭土的X线衍射分析图.由图2可以看出，样品中的主要矿物成分为高岭土，此外，样品中还含有一定量的石英.

pH是影响U(Ⅵ)在高岭土上吸附的重要因素.以固体悬浮液的pH值为横坐标，以铀在高岭土上的吸附率为纵坐标作图，固体悬浊液中U(Ⅵ)的质量浓度([U(Ⅵ)]=1 000 ng/mL)在不同离子强度(2、5 mL的NaCl)上的吸附实验结果见图3.

离子强度为0、2、5 mL的NaCl对U(Ⅵ)在高岭土上吸附的影响见图3.pH2～7内高岭土吸附U(Ⅵ)的吸附率骤然上升，在pH>7时，吸附率随着pH值的升高而减小.从图3可以看出U(Ⅵ)在高岭土上吸附对离子强度的变化不敏感，由此可以假定，U(Ⅵ)在高岭土上的吸附过程中产生了配位化合物.比较图3中U(Ⅵ)在高岭土上的吸附率随悬浮液pH的变化趋势，当悬浮液pH值在2～7时，吸附率随之增加；高岭土对U(Ⅵ)的吸附在pH 7～12时降低.溶液中的铀的形态随着pH的变化而变化，初始溶液中的铀以形式存在，随着悬浮液中pH的变化，溶液中的铀发生水解.当悬浊液pH值较低时，溶液中的铀酰离子不易与高岭土的吸附位点结合，故导致高岭土对铀吸附效率较低；随着pH值升高，铀的水解产物的产生促进了铀与高岭土表面吸附位点的结合.pH>7时吸附率下降可能是由于高pH下铀的物种构成发生改变引起的.不同离子对U(Ⅵ)在高岭土上的吸附行为影响见图4.

由图4可见，在相同浓度的条件下，LiCl与KCl随着pH的增加其吸附率接近，LiCl、KCl与NaCl这3个一价阳离子的变化趋势基本一致，而CaCl2随pH的增加变化波动较大.实验结果表明，离子强度对U(Ⅵ)在高岭土上的吸附的影响基本相同.Ca2+的影响波动较大，主要原因可能是Ca2+与反应过程中加入的荧光增强剂发生反应.

腐殖酸对放射性核素的吸附行为会有很大的影响.本实验用不同浓度的腐殖酸(VHA=0，0.5,1 mL)来研究高岭土对铀的吸附影响.图5为不同浓度的腐殖酸(HA)对铀在高岭土上的吸附的影响.通过图5可以得到，在不同腐殖酸存在的情况下，吸附效率与无腐殖酸时相比得到明显的增强，1 mL的腐殖酸比0.5 mL的腐殖酸稍微加强.在pH 2～5内，在腐殖酸存在的情况下，悬浮液的pH值越高，高岭土对铀的吸附效率增强；在pH>10时，随着悬浮液的pH的上升，腐殖酸对铀的吸附作用的影响减弱；在5

U(Ⅵ)在高岭土上的吸附动力学过程可以采用准一级动力学及准二级动力学方程来进行描述[10]，以动力学理论为基础来探讨铀的吸附反应过程.

U(Ⅵ)在高岭土上吸附的准一级动力学线性模型

U(Ⅵ)在高岭土上吸附的准二级动力学线性模型

此处，qt(mg/g)是在相应时间t时铀在高岭土上的吸附量，qe(mg/g)是吸附反应后的平衡吸附量.k1 (h-1)是准一级动力学的吸附速率常数.k2 (g/(mg·h))是准二级动力学的吸附速率常数.

平衡时间对铀在高岭土上的吸附行为影响见图6.由图6a可以得到，高岭土对