Al(OH)3胶体的制备及其对铀的吸附机理

Al(OH)3胶体的制备及其对铀的吸附机理
张琪;王清良;李乾;胡鄂明;张洪灿;杨敬
【摘要】为了研究在地浸采铀中胶体对矿层的阻塞及对铀酰离子吸附迁移影响,采用硝酸铝与氨水为原料制备Al(OH)3,并用在pH=6条件下制备所得的Al(OH)3对铀进行吸附实验研究,考察了吸附的pH值、初始浓度及吸附时间等对Al(OH)3吸附铀的影响.对实验数据使用准一级、复合二级与Elovich动力学模型进行计算与分析,得出Elovich动力学方程更适合描述Al(OH)3对铀吸附,吸附主要是表面吸附;使用Freundlich与Langmuir等温吸附方程对实验数据进行拟合,结果表明Langmuir模型更适合描述Al(OH)3对铀酰离子的吸附;对吸附前、后的Al(OH)3进行SEM与激光粒度分析.
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2014(065)004
【总页数】8页(P1279-1286)
【关键词】Al(OH)3;制备;铀;吸附;动力学;等温线
【作者】张琪;王清良;李乾;胡鄂明;张洪灿;杨敬
【作者单位】南华大学核资源工程学院,湖南衡阳421001;贵州省纳雍县水东中学,贵州纳雍553308;南华大学核资源工程学院,湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院,湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院,湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院,湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院,湖南衡阳421001【正文语种】中文
【中图分类】TD868
铀是一种天然放射性元素，用途十分广泛，军事上主要用来制造核武器与核动力燃料，民用上主要用于核电站的燃料。

核电与水电和火电相比，具有成本低、安全、环保等优点，因此世界各国都在发展核电，尤其在工业发达国家[1-2]。

在自然界中，胶体主要以粒子状态存在，粒径在1～1000 nm之间，分为有机胶体、无机胶体与生物胶体，能对放射性核素进行吸附迁移[3]。

在地浸采铀中，由于矿岩含有丰富的Al、Fe、Si等成分，注入溶浸剂后，在一定的温度、pH值与压力作用下，溶浸剂与矿岩发生反应，形成胶体，迁移到溶浸液中，造成化学阻塞[4]。

迁移过程可表示为溶解-迁移-沉积-再溶解的循环过程，并随浸出液向抽液孔迁移发展[5]。

在我国北方某地浸采铀矿山，加入浸矿剂后，浸矿剂与矿岩发生反应，生成大量白色胶体状物，对矿层造成了严重阻塞，分析此白色胶体状物中含有Al （OH）3成分。

Al（OH）3胶体具有吸附性[6]，能对Zn、Cr、Pb、Cu、Cd等重金属进行吸附[7]。

此外，在铀矿开采过程中，由于铀矿山废液的排放，废水中的铀会对环境造成污染，可通过各种途径进入人体并对人体造成危害。

探索利用Al（OH）3胶体的吸附性对废水中铀的处理性能，不仅可减少污染，而且还可以进行回收利用[8-9]。

本文主要采用硝酸铝与氨水为原料制备Al（OH）3，并用在pH = 6条件下制备所得的Al（OH）3对铀进行吸附实验研究，考察了Al（OH）3胶体的形成条件与形成量，分析了pH值、初始浓度及吸附时间等对Al（OH）3吸附铀的影响，探讨用 Al（OH）3胶体对铀进行吸附的可能性。

使用准一级、Elovich与复合二级动力学方程对实验数据进行处理，描述吸附所反映的动力学行为，使用Freundlich与Langmuir等温吸附方程拟合 Al（OH）3对铀的吸附过程。

1.1 实验材料
1.1.1 主要试剂和溶液配制所用试剂均为分析纯，主要有Al（NO3）3·9H2O，
NH3·H2O，HNO3，HCl，NaOH，H3PO4，TiCl3，NaNO2，H2NCONH2。

铀溶液：铀溶液为我国北方某地浸铀矿山饱和树脂洗脱获得，淋洗液成分见表1。

配制成1、2、5、10、25、50 mg·L−1的铀溶液，用HCl控制pH值为2以下备用。

钒酸铵标准溶液的配制：称取一定量钒酸铵（NH4VO3）于300 ml烧杯中用少量蒸馏水调成糊状，再加入250 ml 1：1的硫酸，待其全溶后移入1000 ml容量瓶中，以蒸馏水稀释至刻度摇匀放置一周。

二苯胺磺酸钠的配制：称取0.2 g二苯胺磺酸钠（C12H10O3NSNa）及0.2 g无水碳酸钠（Na2CO3），以少量水调成糊状，稀释至100 ml。

1.1.2 实验仪器 PHS-3C型酸度计（金坛市盛蓝仪器制造有限公司）；FB224自动内校电子天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）；DK-98-11A双列六孔电热恒温水浴锅（天津市泰斯特仪器有限公司）；101-2A电热鼓风干燥箱（北京中兴伟业仪器有限公司）；85-2数显控温磁力搅拌器（金坛市大地自动化仪器厂）；RISE2008激光粒度分析仪（济南润之科技）；摩尔超纯水机（上海摩勒科学仪器有限公司）；TG16-W 型台式高速离心机（长沙维尔康湘鹰离心机有限公司）；HL-1B恒流泵（上海青蒲泸西仪器厂）；1400-4mm透析袋（上海源（永）叶生物科技有限公司）。

1.2 实验方法
1.2.1 胶体Al（OH）3的制备取7个250 ml三角瓶，编号为1、2、3、4、5、6、7，在每个瓶中配制0.3 mol·L−1的Al（NO）3·9H2O溶液，置于恒温磁力搅拌器上，在剧烈搅拌下加入1：1氨水调节pH值，编号1～7分别调节pH为3～9，将形成的溶胶在磁力搅拌器上恒温60℃熟化1 h后转入恒温回流装置中恒温60℃回流6 h以上，可得稳定的Al（OH）3溶胶。

Al（OH）3溶胶用半透膜纯化，纯化时，先用半透膜装上待纯化Al（OH）3胶体，半透膜留有一定的体积
空间，便于离子交换。

洗涤溶剂采用去离子水，半小时更换一次，每次纯化6 h以上，最终保证氢氧化铝溶胶中的电解质去除干净。

Al（OH）3胶体纯化装置见图1。

将纯化后得到的Al（OH）3溶胶溶胶烘干、研磨并称量。

重复进行5次，把每个pH条件下Al（OH）3质量求和，取平均值，得到5组在不同pH值下的Al （OH）3质量，将每个pH值条件下得到的Al（OH）3分别密封保存待用。

1.2.2 吸附操作在一定量浓度的铀溶液中加入0.1 g pH = 6条件下制备所得的Al （OH）3的固体研磨粉末，恒温摇床中振荡一定时间达到吸附平衡后取出，离心
分离，取上清液用亚钛还原钒酸铵滴定法分析铀浓度，用式（1）计算 Al（OH）
3的吸附容量（mg·g-1）[10]。

式中 qe为吸附量，mg·g−1；Co为吸附前铀的质量浓度，mg·L−1；Ce为吸附
后铀的质量浓度，mg·L−1；V为体系的体积，L；m为加入的Al（OH）3的质量，g。

1.2.3 不同pH条件下Al（OH）3胶体对铀的吸附实验无Al（OH）3时pH改变对溶液中铀浓度的影响实验：取27个250 ml三角瓶，分为三组并加以编号，第
一组每个瓶中加入已配制的铀浓度为10 mg·L−1的铀溶液100 ml，第二组每个
瓶中加入已配制的铀浓度为25 mg·L−1的铀溶液100 ml，第三组每个瓶中加入
已配制的铀浓度为50 mg·L−1的铀溶液100 ml。

用NaOH与HCl分别调节pH
值为2～10，调节结束后静置6 h，取上清液，用亚钛还原钒酸铵滴定法分析不同pH条件下铀浓度的变化。

加入Al（OH）3时pH变化对溶液中铀浓度的影响实验：在无吸附剂实验条件的基础上加入0.1 g已在pH = 6条件下制备好Al（OH）3，置于恒温25℃ ± 0.5℃的恒温摇床中振荡10 h后，用离心管取 10 ml离心分离，离心机转速设置为8000 r·min−1，离心时间为10 min，离心结束后取上清液分析铀浓度。

1.2.4 Al（OH）3对铀的吸附动力学实验取 12个250 ml的三角瓶，加入100 ml浓度为25 mg·L−1、pH=5的铀溶液，加入0.1 g pH = 6条件下制备所得的Al（OH）3的固体研磨粉末，置于恒温摇床中振荡，摇床温度设置为25℃ ± 0.5℃，于0.5～12 h内取样离心分离，离心机转速调节为8000 r·min−1，离心时间为10 min，取离心管中上清液分析铀浓度。

1.2.5 Al（OH）3对铀的吸附等温线实验取6个250 ml容量瓶，编号为1～6，分别加入1、2、5、10、25、50 mg·L−1铀溶液各100 ml，用NaOH和HCl调节其pH为5，各加入0.1 g pH = 6条件下制备所得的Al（OH）3的固体研磨粉末，置于恒温摇床中振荡，摇床温度设置为25℃ ± 0.5℃，8 h后取样离心分离，离心机转速调节为8000 r·min−1，离心时间为10 min，取离心管中上清液分析铀浓度。

1.2.6 铀分析方法铀分析方法采用三氯化钛还原钒酸铵滴定法。

2.1 不同pH条件下Al（OH）3的形成效果
为研究Al（OH）3对铀的吸附机理，进行实验制备Al（OH）3，在Al（NO）3·9H2O溶液加入1：1氨水，不同pH值条件下形成Al（OH）3的效果分析结果见表2。

从表2中数据可以看出，pH值对Al（OH）3胶体的形成影响很大，pH值在 5～6时，最容易形成Al（OH）3胶体[11]。

溶液在地下含铀矿层中运移时，酸法地浸过程中地下溶液pH值从7左右一直降低至2左右，中间需要经历pH = 5～6阶段，Al（OH）3胶体的形成将对铀的溶解、迁移产生重要影响；碱法地浸过程中地下溶液pH值则一直维持在6～8，Al（OH）3胶体的形成对铀的溶解、迁移产生的影响更大[12-13]。

在迁移过程中，溶胶会对矿层造成阻塞，从而影响矿层的渗透性能[14]。

2.2 溶液pH值对Al（OH）3吸附铀的影响
从图 2结果可以看出，溶液 pH的改变对Al（OH）3吸附铀有一定的影响，当溶液pH小于2时，由于溶液中存在大量氢离子，Al（OH）3对铀不产生吸附[15]；当溶液pH大于3时，随着溶液pH升高，Al（OH）3对铀吸附量增加，原因在于—NH+2与 H+结合形成—NH+3[16]；当pH值在2～5时，溶液中铀的变化
完全是吸附作用的结果；pH大于5时，溶液中铀的变化为吸附与沉淀协同作用的结果；pH = 8时，铀的吸附和沉淀比例最大，分析原因在于，pH= 8时铀的沉淀和Al（OH）3对铀的吸附产生协同作用，产生水解沉淀，使溶液中铀浓度保持在更低的水平[17]；pH大于8时，由于溶液碱性变强，溶液中的铀浓度逐渐回升。

因为当铀溶液 pH值小于 5时，改变铀溶液的pH值，铀浓度不发生变化 [图2（a）]，且pH=5时吸附Al（OH）3对铀的吸附量达到最大值，故选取pH = 5
作为实验的最佳吸附pH值。

2.3 振荡时间对Al（OH）3吸附铀的影响
振荡时间对Al（OH）3吸附铀的影响很大，从图3中可以看出，吸附5 h后，溶液中铀浓度达到平衡。

这是因为在吸附平衡前，Al（OH）3主要是瞬间吸附和粒
外表面吸附，而5 h吸附平衡之后，粒子周围的吸附点基本已被铀酰离子占据，对铀酰离子的负载达到平衡[18]。

2.4 Al（OH）3对铀吸附动力学
为了研究Al（OH）3对铀吸附机理，使用准一级、Elovich与复合二级动力学方
程对实验数据进行处理，描述吸附所反映的动力学行为，准一级动力学方程的线性表达式为[19]
式中 qe为吸附平衡时的吸附量，mg·g−1；t为吸附时间，min（本实验为h）；qt为t时刻Al（OH）3吸附铀的吸附量，mg·g−1；k1为吸附速率常数，
min−1（本实验为h−1）。

利用ln（qe−qt）对t作图，结果见图4。

复合二级反应动力学方程是用来描述铀溶液中铀酰离子与吸附剂发生络合反应，向
吸附剂晶格内部扩散的过程，由于常温下离子在吸附剂内部扩散可以忽略，因此，Al（OH）3对铀的吸附为表面吸附。

复合二级反应动力学方程表达式如下[20] 式中 [M]o和[M]s分别表示金属离子在溶液相界面中的浓度，kd为二级反应速度常数。

复合二级反应动力学方程可简化如下[21]
实验结果见图5。

Elovich 动力学方程的简化表达式如下[22-23]
其中，αE吸附速率常数，mg·min−1·g−1（本实验为mg·h−1·g−1）；βE为脱附速率常数，g·mg−1。

Elovich动力学方程描述了吸附速率随吸附剂表面吸附量的增加而呈指数下降，结果见图6。

从准一级、复合二级与 Elovich动力学拟合曲线图中可以看出，在初始铀浓度相同的情况下，Elovich动力学方程相关系数R2= 0.9497，高于准一级与复合二级动力学方程，相比较而言，Elovich动力学方程较适合描述Al（OH）3吸附铀动力学过程。

综合3种拟合曲线图，可得出Al（OH）3对铀的吸附主要是表面吸附[24]。

2.5 Al（OH）3对铀的吸附等温线
为了研究Al（OH）3对铀的吸附机理，本文采用Freundlich与Langmuir等温吸附方程拟合Al（OH）3对铀的吸附过程，结果见图7。

Freundlich吸附方程形式为[25-27]
对式（6）两边取对数，可得
Langmuir等温吸附方程为[28-31]
式中 Ce为平衡浓度，mg·L−1；k和n均为经验常数；b为Langmuir常数，L·mg−1；qmax为最大饱和吸附量，mg·g−1。

如图7所示，Freundlich拟合方程相关系数R2= 0.9235，由拟合方程斜率可得1/n = 0.5933，小于1，因此Al（OH）3能对铀进行吸附。

Langmuir拟合方程
相关系数R2= 0.9870，根据拟合方程，求得qmax= 6.42 mg·g−1。

Langmuir
拟合方程R大于Freundlich拟合方程 R，说明 Al（OH）3对铀的吸附更适合Langmuir模型。

2.6 Al（OH）3吸附铀前、后的粒度分布与SEM图
图8为Al（OH）3吸附铀前、后的SEM图，在吸附之前，Al（OH）3表面有许多不规则凹坑，吸附之后，Al（OH）3表面变得较平整，说明Al（OH）3对铀
的吸附主要是表面吸附。

图9为Al（OH）3吸附铀前、后的粒度分布图，D10、
D50、D90表示粒度分布占10％、50％、90％所对应的粒径，Dav表示粒度分
布的平均粒径，S/V为比表面积。

由图 9（a）、（b）的分布图可以看出，图形
属正态分布，分布较好。

吸附前的 Al（OH）3的粒径参数D10、D50、D90、Dav小于吸附后的，吸附前的S/V大于吸附后的。

这是因为Al（OH）3是由
Al3+与OH−结合生成，羟基具有很强的吸附性，以及Al（OH）3溶于铀溶液中后形成氢氧化铝胶体，氢氧化铝胶体具有很强的吸附性，铀溶液又由树脂淋洗而来，含有一定杂质。

Al（OH）3吸附了铀酰离子的同时，也吸附了其他组分，所以激
光粒度分析的结果是吸附前的Al（OH）3主体粒径小于吸附之后。

（1）在0.3 mol·L−1的Al（NO3）3·9H2O溶液中，在剧烈搅拌下滴加
NH3·H2O，当溶液pH值为5～6时，可制备得到最大量的Al（OH）3。

与碱法地浸过程中产生白色胶体状物的pH值吻合。

（2）Al（OH）3对铀的吸附受到 pH的影响，当pH值小于2时，Al（OH）3
对铀不产生吸附；当溶液pH大于3时，随着溶液pH升高，Al（OH）3对铀吸
附量增加；当pH值在2～5时，溶液中铀的变化完全是吸附作用的结果；当pH
大于5时，溶液中铀的变化为吸附与沉淀协同作用的结果。

（3）Al（OH）3对铀的吸附可用准一级、复合二级与Elovich动力学方程描述，吸附5 h后，溶液中铀浓度达到平衡，Al（OH）3对铀的吸附主要是表面吸附。

（4）吸附符合Langmuir与Freundlich等温吸附方程，Langmuir中相关系数
R2= 0.9870，大于Freundlich的相关系数R2= 0.9235，说明Al（OH）3对铀
的吸附更适合Langmuir模型；在Freundlich等温吸附方程中，1/n = 0.5933，小于1，说明Al（OH）3对铀有吸附效果。

（5）Al（OH）3是由Al3+与OH−结合生成的，吸附基团主要是羟基与带电荷
的氢氧化铝胶粒。

从吸附前、后的 SEM图与激光粒度分析结果看出，吸附前、后的Al（OH）3粒径发生了变化，原因在于Al（OH）3吸附了铀的同时，也吸附
了其他组分。

（6）当pH=5时，Al（OH）3对铀吸附5 h，溶液中铀浓度达到平衡，Al（OH）3对铀的吸附饱和量为5.38 mg·g−1，因此，Al（OH）3对铀的迁移影响小且不适合用作吸附剂去处理废水中的铀。

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