含铀废水处理技术研究

含铀废水处理技术研究

1 引言 (Introduction)

铀矿冶生产中产生了大量的低浓度含铀废水, 如不妥善处理直接排放, 对生态环境和人体健康将构成潜在的严重威胁, 有效处理含铀

废水显得尤为重要 .含铀废水的主要处理方法有化学沉淀法、生物修复法、膜分离法和吸附法等, 其中吸附法因其高效廉价、操作简单、无二次污染且便于铀回收利用的优点而备受关注, 成为铀矿冶环境

治理的研究热点.

氧化石墨烯 (GO) 是石墨氧化的产物, 表面富含羧基、羟基等含氧基团, 且比表面积较大, 对重金属离子有很好的吸附效果研究发现氧

化石墨烯对U (Ⅵ) 的最大吸附量达111.7 mg·g-1, 明显高于其它铀酰离子吸附剂.但由于氧化石墨烯具有亲水性, 吸附后难以从水中分离, 在实际应用中可将GO与其它吸附材料复合, 既可以提高GO的吸附能力, 又使其便于分离回收.壳聚糖 (CS) 是甲壳素脱乙酰化的产物, 其分子结构中存在大量的氨基和羟基, 具有吸附性能好、易再生和价廉等优点.但CS能溶于酸性溶液, 这极大地限制了它的应用, 因此有必要对CS进行交联改性, 使直链的CS分子形成网状结构, 从而提高其在酸性溶液中的稳定性.有研究表明, 将壳聚糖接枝到氧化石墨烯上得到的CS/GO复合材料热稳定性高、机械性能好, 对Au3+, Pd2+等有毒重金属具有良好的吸附效果.但有关CS/GO吸附热力学、动力学及机理等方面的研究还不够深入, 且将其应用于低浓度含铀

废水处理的报道相对较少.本研究利用Hummers法合成氧化石墨烯并

与壳聚糖进行混合, 经戊二醛交联改性后制备出吸附位点多, 不溶

于酸, 且可过滤分离的CS/GO复合材料.探讨了CS/GO对U (Ⅵ) 的

吸附特性, 通过SEM-EDS、FTIR、XRD等表征手段研究其吸附机理, 以期为CS/GO处理含铀废水提供理论依据.

2 材料与方法 (Materials and methods) 2.1 主要试剂与仪器

主要试剂：天然鳞片石墨 (325目), 青岛金日来石墨有限公司;壳聚糖 (脱乙酰度大于90%), 国药集团化学试剂有限公司;硝酸钠、高锰酸钾、氢氧化钠、盐酸 (37%)、戊二醛等其他试剂均为市售分析纯, 模拟含铀废水采用U3O8(分析纯) 根据GBW04201配制而成.

主要仪器：台式恒温振荡器 (IS-RDD3, 美国精骐有限公司);pHS-3C

型精密酸度计 (上海雷磁仪器厂);扫描电子显微镜 (JSM-7500F, 日

本电子);X射线能谱仪 (Energy 350, 英国牛津仪器有限公司);傅里叶变换红外光谱仪 (NICOLET6700, 美国Themo Fisher公司);X射线衍射仪 (D8 Advance, 德国布鲁克AXS公司);紫外可见分光光度计(T6, 北京普析通用公司).

2.2 壳聚糖/氧化石墨烯的制备

采用改进的Hummers法制备氧化石墨.称取一定量研磨好的氧化石墨

加到25 mL体积分数为1%的乙酸水溶液中, 室温下超声45 min, 形

成均匀悬浊液.不断搅拌的同时逐步加入0.5 g壳聚糖粉末, 超声1 h,

使壳聚糖与氧化石墨烯混合均匀, 再加入1.5 mL 50%的戊二醛作为

交联剂, 继续搅拌1 h.静置12 h, 将分散良好的悬浊液用0.1 mol·L-1的NaOH溶液浸泡, 使复合物变成凝胶状, 将产物过滤并依次用50%的乙醇溶液和超纯水洗涤、烘干、研磨、过筛 (0.15 mm), 密封干燥备用.

2.3 吸附试验

取50 mL一定浓度 (2~100 mg·L-1) 的铀溶液置于150 mL锥形瓶中, 用0.1 mol·L-1的HCl和NaOH溶液调节pH值 (2~8), 加入适量(0.05~0.40 g·L-1) 吸附剂, 恒温振荡 (20~40 ℃, 150 r·min-1) 一定时间 (5~420 min) 后过滤, 用紫外分光光度计在578 nm处测定滤液U (Ⅵ) 浓度, 试验重复3次, 取平均值.分别按式 (1) 和式 (2) 计算CS/GO的吸附量q(mg·g-1) 和U (Ⅵ) 的吸附率η：

(1)

(2)

式中：C0、Ce分别为吸附前后溶液中U (Ⅵ) 的浓度 (mg·L-1);V

为溶液体积 (L);m为吸附剂的投加量 (g).

2.4 解吸试验

将0.4 g·L-1的CS/GO投加到pH=5, U (Ⅵ) 初始浓度为150 mg·L-1的溶液中, 30 ℃恒温振荡5 h后过滤, 测定滤液中U (Ⅵ) 的剩余

浓度.再将吸附后的CS/GO放入100 mL 0.1 mol·L-1的HCl溶液中, 振荡解吸120 min, 过滤并测定滤液U (Ⅵ) 浓度.将解吸后的CS/GO 用去离子水反复洗涤若干次, 烘干后再在相同条件下进行吸附-解吸

试验, 循环利用4次.U (Ⅵ) 的解吸率按照式 (3) 计算：

(3)

式中：C1为U (Ⅵ) 的初始浓度 (mg·L-1);C2为吸附后溶液中的U (Ⅵ) 浓度 (mg·L-1);Cds为解吸液中U (Ⅵ) 的浓度 (mg·L-1).吸附和

解吸过程中溶液的体积相同.

3 结果与讨论 (Results and discussion) 3.1 GO含量对CS/GO吸

附U (Ⅵ) 的影响

在pH值为5, CS/GO投加量为0.2 g·L-1, U (Ⅵ) 初始浓度为10 mg·L-1, 温度为30 ℃, 吸附时间为5 h的条件下, CS/GO中GO的

质量分数 (5%~70%) 对吸附效果的影响如图 1所示.

图 1 GO含量对CS/GO吸附U (Ⅵ) 的影响

由图 1可见, CS/GO对U (Ⅵ) 的吸附量随GO含量的提高先快速增加后逐渐减小.这是因为GO的加入增大了CS/GO的比表面积, 提供更多的含氧基团 (羟基、羧基等), 使得CS/GO的吸附能力增强.当GO 质量分数为40%时, 吸附量达到最大值.但继续提高GO含量, 吸附量反而略有降低, 可能是GO上的羧基和CS的氨基发生酰胺化反应, 形成—NHCO—键, 从而降低了羧基和氨基对铀酰离子的螯合能力 (He et al., 2011).在后续试验中, 均采用GO质量分数为40%的CS/GO 复合材料进行吸附试验.

3.2 pH值对CS/GO吸附U (Ⅵ) 的影响

在U (Ⅵ) 初始浓度为10 mg·L-1, 吸附剂投加量为0.2 g·L-1, 温度为30 ℃, 吸附时间为5 h的条件下, pH值对GO、CS、CS/GO吸附效果的影响如图 2所示.