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固定化活性炭吸附铀( Ⅵ) 试验
2016-02-17
为探索海藻酸钠包埋法制备的固定化活性炭微球对铀(Ⅵ)的吸附效果,进行了固定化活性炭微球吸附 铀(Ⅵ)试验。结果显示:在溶液初始pH=5. 0、铀(Ⅵ)初始浓度为0. 4 mg/ L、固定化活性炭微球投加量为0. 7 g/ L 时, 反应6 h 可以达到吸附平衡,此时铀(Ⅵ)吸附量为1. 7 mg/ g、吸附率为84. 50%。对铀吸附机理的探讨表明,固定化 活性炭微球对铀的吸附行为符合Langmuir 等温线模型和准二级动力学模型。
Series No. 476 ꢀ Februaryꢀ 2016 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 476期 METAL MINE 2016 年第 2 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 固定化活性炭吸附铀(Ⅵ)试验 1 ,2,3 2,3 1,2,3 2,3 2,3 2,3 喻ꢀ 清 ꢀ 丁德馨 ꢀ 李登科 ꢀ 余园平 ꢀ 罗ꢀ 艺 ꢀ 王启方 ( 1. 中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083;2. 南华大学核资源工程学院, 湖南 衡阳 421001;3. 铀矿冶生物技术国防重点学科实验室,湖南 衡阳 421001) 摘ꢀ 要ꢀ 为探索海藻酸钠包埋法制备的固定化活性炭微球对铀(Ⅵ)的吸附效果,进行了固定化活性炭微球吸附 铀(Ⅵ)试验。 结果显示:在溶液初始 pH=5. 0、铀(Ⅵ)初始浓度为 0. 4 mg/ L、固定化活性炭微球投加量为 0. 7 g/ L 时, 反应 6 h 可以达到吸附平衡,此时铀(Ⅵ)吸附量为 1. 7 mg/ g、吸附率为 84. 50% 。 对铀吸附机理的探讨表明,固定化 活性炭微球对铀的吸附行为符合 Langmuir 等温线模型和准二级动力学模型。 关键词ꢀ 固定化活性炭微球ꢀ 吸附ꢀ 铀(Ⅵ) ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ X751ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2016)-02-172-04 Adsorption Mechanism of Uranium of Immobilizing Activated Carbon 1 ,2,3 1,2,3 2,3 2,3 2,3 2,3 Yu Qing ꢀ Ding Dexin ꢀ Li Dengke ꢀ Yu Yuanping ꢀ Luo Yi ꢀ Wang Qifang ( 1. School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China; 2 . School of Nuclear Resources Engineering,University of South China,Hengyang 421001,China; 3 . Key Discipline Laboratory of Defense Biotechnology in Uranium Mining and Hydrometallurgy,Hengyang 421001,China) Abstractꢀ To find the effects of immobilizing activated carbon made by activated carbon and Na-alginate as embedding a- gents biosorption performances on U(Ⅵ),biosorption experiment was conducted on immobilizing activated carbon biosorption on U(Ⅵ). Results showed that at the solution initial pH = 5. 0,initial concentration of uranium is 0. 4 mg/ L,the adsorbent dosage is 0. 7 g/ L,adsorption equilibrium will obtained for 6 h,uranium adsorption quantity is 1. 7 mg/ g,uranium adsorption rate is 84. 50% . Research of adsorption mechanism revealed that the adsorption of U(Ⅵ) by immobilized activated carbon fi- xes the Langmuir model and pseudo-second dynamics model. Keywordsꢀ Immobilizing activated carbon micro-ball,Adsorption,Uranium(Ⅵ) ꢀ ꢀ 铀资源是核能发展的前提和保障,然而铀矿生产 1ꢀ 试验材料和试验方法 加工过程中会产生含铀废水,废水中的铀经渗透迁移 污染地下水和土壤,还会通过水循环和生物链等方式 富集到食物链,给人类带来长久的、潜在的辐射危 1. 1ꢀ 试ꢀ 剂 铀(Ⅵ)的标准储备液根据文献[5]配制,无水氯 化钙和海藻酸钠由天津市光复精细化工研究所提供。 1. 2ꢀ 固定化活性炭微球的制备 [ 1] 害 。 吸附法和生物处理法是目前国内外处理铀矿 [ 2-3] 。 活性炭具有发达的孔隙 冶含铀废水的常用方法 采用海藻酸钠包埋法制备固定化活性炭微球,具 体制备方法参照文献[6]。 结构、较高的比表面积,是一种性能优良的吸附材 [ 4] 。 本研究拟采用海藻酸钠作为包埋剂制备固定 料 1. 3ꢀ 静态吸附试验 化活性炭微球,研究固定化活性炭微球吸附铀的影响 因素及吸附热力学和动力学特性,探讨吸附过程可能 涉及的反应机理。 将 100 mL 一定浓度的铀(Ⅵ) 溶液装入锥形瓶 中,调节溶液初始 pH,加入一定量的固定化活性炭微 球,在温度为 35 ℃、转速为 200 r/ min 的往复式恒温 收稿日期ꢀ 2015-11-22 基金项目ꢀ 国家自然科学基金重点项目( 编号:U1401231),国家自然科学基金项目( 编号:11505093,51574152),湖南省教育厅项目( 编号: 3C800),衡阳市科技局项目(编号:2013KS31),南华大学创新训练中心项目(编号:201412,201422,201501),南华大学创新团队项目 编号:NHCXTD04)。 作者简介ꢀ 喻ꢀ 清(1984—),男,讲师,博士研究生。 通讯作者ꢀ 丁德馨(1958—),男,博士,教授,博士研究生导师。 1 ( · 172· ꢀ ꢀ ꢀ 喻ꢀ 清等:固定化活性炭吸附铀(Ⅵ)试验ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 2 期 空气浴摇床中进行吸附试验。 吸附完成后,取上清液 于 1 500 r/ min 条件下离心分离 2 min,取上清液测定 位吸附容量增加。 当铀(Ⅵ)的初始浓度为 0. 4 mg / L 时,铀(Ⅵ)的吸附量达到 0. 71 mg / g、吸附率为 86% , 随着铀(Ⅵ)初始浓度的增加,吸附率降低不明显,吸 附量成倍增长。 考虑到工业实际情况,采用铀(Ⅵ) 初始浓度为 0. 4 mg / L 进行后续试验。 [ 7-9] 铀(Ⅵ)浓度,计算铀(Ⅵ)去除率 。 2 ꢀ 试验结果与讨论 2 . 1ꢀ 溶液初始 pH 对吸附的影响 2. 3ꢀ 固定化活性炭微球投加量对吸附的影响 在铀(Ⅵ)初始浓度为 1 mg / L、固定化活性炭微 在溶液初始 pH=5、铀(Ⅵ)初始浓度为 0. 4 mg / 球投加量为 0. 3 g / L、吸附时间为 12 h 条件下,考察 溶液初始 pH 对固定化活性炭吸附铀(Ⅵ)的影响,结 果如图 1 所示。 L、吸附时间为 12 h 条件下,考察固定化活性炭微球 投加量对其吸附铀(Ⅵ)的影响,结果如图 3 所示。 图 3ꢀ 固定化活性炭投加量对其吸附铀(Ⅵ)的影响 Fig. 3ꢀ Effect of adsorbent dosage on adsorption of uranium by immobilizing activated carbon 图 1ꢀ 溶液初始 pH 对固定化活性炭吸附铀(Ⅵ)的影响 Fig. 1ꢀ Effect of initial pH on adsorption of uranium by immobilizing activated carbon ▲ ■ —吸附量; —吸附率 ▲ ■ —吸附量; —吸附率 由图 3 可知,随着固定化活性炭微球投加量的增 加,固定化活性炭微球对铀(Ⅵ)的吸附量逐渐降低, 吸附率小幅提高。 过量的固定化活性炭微球会引起 微球的局部凝集,减少吸附位点,降低吸附能力。 因 此,确定固定化活性炭投微球加量为 0. 7 g / L。 由图 1 可知,随着溶液初始 pH 的提高,固定化 活性炭微球对铀(Ⅵ)的吸附量和吸附率均先提高后 降低,并在 pH=5 时达到最高,此时对应的吸附量为 1 . 64 mg / g、吸附率为 82. 1% ,且与 Vogel 的研究结论 [10] 一致 。 因此,确定固定化活性炭微球吸附铀(Ⅵ) 2. 4ꢀ 吸附时间对吸附的影响 的最佳 pH 为 5。 在溶液初始 pH = 5、固定化活性炭微球投加量为 . 7 g / L、铀(Ⅵ)初始浓度为 0. 4 mg / L 条件下,考察 2 . 2ꢀ 铀(Ⅵ)初始浓度对吸附的影响 在溶液初始 pH = 5、固定化活性炭微球投加量为 . 3 g / L、吸附时间为 12 h 条件下,考察不同铀(Ⅵ) 0 吸附时间对固定化活性炭吸附铀(Ⅵ) 的影响,结果 如图 4 所示。 0 初始浓度对固定化活性炭吸附铀(Ⅵ) 的影响,结果 如图 2 所示。 图 4ꢀ 吸附时间对固定化活性炭吸附铀(Ⅵ)的影响 Fig. 4ꢀ Effect of contact time on adsorption of uranium by immobilizing activated carbon 图 2ꢀ 铀(Ⅵ)初始浓度对固定化活性炭吸附铀(Ⅵ)的影响 Fig. 2ꢀ Effect of initial uranium concentration on ▲ ■ —吸附量; —吸附率 adsorption of uranium by immobilizing activated carbon ▲ —吸附量; ■ —吸附率 由图 4 可知:吸附时间小于 6 h 时,固定化活性 炭微球对铀(Ⅵ)的吸附量和吸附率均随吸附时间延 长逐渐提高;吸附时间大于 6 h 时,固定化活性炭微 球对铀(Ⅵ)的吸附量和吸附率随吸附时间延长变化 由图 2 可知,随着铀(Ⅵ)初始浓度的增加,固定 化活性炭微球对铀(Ⅵ) 的吸附量逐渐增加,吸附率 小幅降低。 铀(Ⅵ)初始浓度增加,吸附率降低,但单 · 173· 总第 476 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 2 期 不明显。 因此,确定吸附时间为 6 h。 此时固定化活 性炭微球对铀( Ⅵ) 的吸附率为 84. 50% 、吸附量为 从拟合结果看:Langmuir 与 Freundlich 方程均能 很好地拟合固定化活性炭微球对铀的吸附过程过程, 说明吸附过程为单层与多层相结合的吸附模式;而 1 . 7 mg / g。 2 2 2 . 5ꢀ 吸附热力学分析 R1 >R2 ,说明固定化活性炭微球对铀的吸附更符合 Langmuir 模型,即吸附过程主要为单层吸附,并逐渐 向固定化活性炭微球内部延伸。 2. 6ꢀ 吸附动力学分析 对 2. 2 节试验结果采用 Langmuir 和 Freundlich 吸附等温线来拟合固定化活性炭对铀(Ⅵ)的等温吸 附过程,Langmuir 和 Freundlich 吸附热力学方程表达 式分别为 对 2. 4 节结果采用准一级和准二级反应动力学 模型对吸附过程进行拟合,准一、二级动力学方程的 表达式分别为 1 1 + æ 1 ö 1 , = (1) (2) Qe Qmax èbQmax ø ce lnQe = lnK + 1 lnce. K1 ln(Qe - Qt ) = lnQe - . 303t, (3) (4) n 2 式中,Qe 为平衡吸附容量,mg / g;Qmax 为饱和吸附量, mg / g;b 为 Langmuir 吸附平衡常数;ce 为吸附平衡时 铀的质量浓度,mg / g;n 为吸附强度常数;K 为吸附系 数。 用上述两个方程对试验结果进行拟合回归,结果 t 1 2 + t = . Qt K2 Qe Qe 式中,t 为吸附时间,min;Qe 、Qt 分别为平衡吸附量和 t 时刻的吸附量,mg / g;K1 、K2 分别为准一、二级吸附 常数。 用这 2 个方程对试验结果进行拟合回归,结果 见表 1、表 2、图 5、图 6。 表 1ꢀ 与 Langmuir 吸附方程拟合结果 Table 1ꢀ Langmuir adsorption equation fitting results 见表 3、表 4、图 7、图 8。 表 3ꢀ 与准一级方程拟合结果 R1 2 拟合方程 Table 3ꢀ First-pseudo kinetic equation fitting results 1 / Qe =0. 084 9 / ce ꢁ0. 023 2 0. 992 9 2 拟合方程 常数 K 1 R1 表 2ꢀ 与 Freundlich 吸附方程拟合结果 ln(Qe ꢁQt ) = ꢁ0. 253 8tꢁ0. 739 1 ꢁ0. 58 0. 933 9 Table 1ꢀ Freundlich adsorption equation fitting results 2 表 4ꢀ 与准二级方程拟合结果 拟合方程 R2 lnQe =0. 992 9 lnce +2. 478 9 0. 920 5 Table 4ꢀ Second-pseudo kinetic equation fitting results 2 拟合方程 常数 K 2 R2 t/ Qt = 4. 817 1 / t + 4. 331 6 5. 37 0. 999 4 图 5ꢀ Langmuir 吸附等温模型拟合曲线 Fig. 5ꢀ Langmuir adsorption model fitting curve at uniform temperature 图 7ꢀ 准一级动力学模型拟合曲线 Fig. 7ꢀ Pseudo-first-order kinetic equation model fittiug curve 2 2 从拟合结果看,R1 <R2 ,说明与准二级动力学方 程的拟合程度较好。 与准一级动力学方程的拟合程 度较差,主要是由于吸附 6 h 后吸附体系出现吸附— 解析动态平衡。 因此,吸附后期动力学控制的主要步 骤是表面吸附。 3 ꢀ 结ꢀ 论 图 6ꢀ Freundlich 吸附等温模型拟合曲线 Fig. 6ꢀ Freundlich adsorption model fitting curve at uniform temperature ( 1)固定化活性炭微球对含铀废水有较好的去 除效果。 在溶液初始 pH= 5、铀(Ⅵ)初始浓度为 0. 4 mg / L、固定化活性炭微球投加量为0. 7g / L时,达到 · 174· ꢀ ꢀ ꢀ 喻ꢀ 清等:固定化活性炭吸附铀(Ⅵ)试验ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 2 期 [ 3]ꢀ 吕俊文,张ꢀ 宇,邓钦文,等. 微生物对铀铁锰离子在土壤中迁 移的影响[J]. 金属矿山,2012(10) :140-144. 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