水熱合成地聚合物材料及其吸附性能研究＊

陳益蘭,劉承偉,唐 婕

(廣西大學,廣西南寧 530004)

水熱合成地聚合物材料及其吸附性能研究＊

陳益蘭,劉承偉,唐 婕

(廣西大學,廣西南寧 530004)

以偏高嶺土和粉煤灰為原料,采用水熱合成法制備偏高嶺土 -粉煤灰基地聚合物材料,通過 XRD對材料進行了表征,研究吸附時間、初始濃度和溶液 pH對所得材料吸附性能的影響。結果表明,分別以氫氧化鈉或水玻璃作為堿性催化劑,在 180℃、保溫 12 h水熱反應條件下制備的地聚合物材料對 Sr2+,Co2+,Cs+具有良好的吸附性能,但不同催化劑作用下所制得的材料對這 3種離子的吸附性能有所差異。吸附實驗表明,該地聚合物材料在核廢料處理等環境保護方面具有很好的應用價值。

地聚合物;水熱合成法;氫氧化鈉;核廢料處理

核技術在廣泛應用和快速發展的同時,它所產生的放射性廢料也對環境造成了相當嚴重的污染,特別是 Sr2+,Co2+和 Cs+,須經幾百年才能衰變至無害水平[1]。因此,必須選擇性能良好的吸附材料,實現對放射性廢料的安全處置。地聚合物是以偏高嶺土、堿性催化劑為原料制備的一種新材料,其具有原料來源豐富、能耗低、強度高、吸附性強和耐高溫耐酸等優點,已引起國內外研究者的廣泛關注。筆者采用水熱合成法制備偏高嶺土 -粉煤灰基地聚合物材料,同時研究地聚合物材料對 Sr2+,Co2+和 Cs+吸附性能的影響,為該材料應用于重金屬離子交換吸附、核廢料固封等方面提供理論依據。

1 實驗

1.1 原料

實驗用的偏高嶺土取自北海允礦高嶺土有限公司,粉煤灰來源于田東水泥廠,兩種原料化學組成見表 1;水玻璃:市售,模數為3.1,固含量為35.9%(質量分數);氫氧化鈉,分析純。

表1 偏高嶺土和粉煤灰的化學組成 %

1.2 實驗方法

1.2.1 偏高嶺土 -粉煤灰基地聚合物材料的合成

以偏高嶺土和粉煤灰為原料,分別采用氫氧化鈉和水玻璃為堿性催化劑,混合均勻后置于水熱反應裝置中,180℃下保溫 12 h。取出試樣,真空抽濾,同時采用蒸餾水多次沖洗,最終得到粉末樣品,分別記作樣 1#,樣 2#。采用 D/max-RB型 X射線衍射儀對樣品進行表征。

1.2.2 Sr2+,Co2+和 Cs+吸附性能研究

用分析純試劑硝酸鍶、硝酸鈷和氯化銫配制成50 mL 0.005 mol/L的 Sr2+,Co2+和 Cs+溶液,然后稱取0.1 g地聚合物樣品分別加入盛有3種溶液的三角瓶中,在恒溫振蕩器上振蕩一定時間后離心分離,取上層清液,用電感耦合等離子體發射光譜儀分別測定 Sr2+,Co2+和 Cs+的含量,計算并分析其吸附效果。按下式計算離子吸附量:

式中:q為離子吸附量,mg/g;V為離子溶液體積, mL;ρ0為吸附前溶液中離子質量濃度,mg/L;ρ為吸附后溶液中離子質量濃度,mg/L;W為吸附劑質量,mg。

2 實驗結果與分析

2.1 地聚合物材料的 XRD分析

圖1 地聚合物XRD譜圖

圖 1為樣品的XRD譜圖。從圖1可見,樣1#和樣2#在20～40°都出現了一個呈彌散狀的峰包,表明發生了地聚合反應。樣1#的主要晶相為石英,同時可以檢索到A沸石的特征衍射峰;對樣 2#分析可知主要發生了地聚合反應,結構主要為無定形態。J.Temuujin等[2]也在制備的高嶺土基地聚合物材料中發現了類沸石相,經查證為 A沸石和 LTA沸石,并認為這種沸石化合物具有良好的吸附性能,對放射性元素和重金屬離子吸附效果尤其明顯。

2.2 地聚合物材料的吸附性能研究

2.2.1 吸附動力學曲線

圖 2為 pH在 6.5～7.0、溫度為 25℃時,地聚合物樣品對 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附動力學曲線。由圖 2可知,隨著吸附時間的延長,吸附量均明顯增加,樣品對 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附具有良好的動力學性能。開始時吸附速率較快,120 h后吸附曲線趨于平穩,隨著時間的延長吸附量略有增加,但增幅很小,7 d后吸附量基本不再變化。對此的理論解釋為:在吸附初始階段,3種離子主要被吸附在顆粒的外表面,吸附速度較快;隨著吸附過程的進行,離子的濃度逐漸減小,同時吸附質向內部擴散,阻力逐漸增強,吸附速率受擴散控制,從而導致吸附速率變慢;吸附后期,吸附主要在材料內表面進行,推動力越來越小,所以吸附趨于飽和。

圖 2 樣品對 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附動力學曲線

2.2.2 吸附等溫線

圖 3為 pH在 6.5～7.0、溫度為 25℃、恒溫振蕩 12 h條件下,地聚合物樣品對 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附等溫曲線。由圖 3可知,隨著 Sr2+,Co2+和Cs+濃度的增大,平衡吸附量明顯增加。且初始濃度越大,吸附量越高。Freundlich吸附方程式為:

式中,ρ為平衡溶液質量濃度,mg/L;K和n均為經驗常數。對上式兩邊取對數得:lgq=nlgρ+lgK,簡化為:lgq=nlgρ+K′。

圖 3 樣品對 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附等溫曲線

圖 4為樣品吸附量的對數和離子平衡濃度的關系。經最小二乘法回歸處理,得到擬合公式如下:

可見樣品對 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附過程符合Freundlich吸附基本方程。

圖4 樣品的吸附方程

2.2.3 pH對樣品吸附性能的影響

圖 5為恒溫振蕩 12 h條件下,pH對地聚合物樣品吸附性能的影響曲線。由圖 5可知,隨著溶液pH的增大,樣品的吸附量明顯增加。尤其是中性和堿性環境更有利于吸附作用的進行。對 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附效果在酸性介質中明顯低于中性和堿性介質。對此的理論解釋為:當溶液中存在其他物質或離子時,吸附就會出現競爭現象。當 pH低時,溶液中的 H+濃度比較大,與 Sr2+,Co2+和 Cs+產生競爭吸附,導致對重金屬離子的吸附效果較差。由此可以認為堿性環境更有利于地聚合物樣品對Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附和阻滯其遷移。

圖5 pH對樣品吸附性能的影響曲線

3 結論

水熱合成法制備的偏高嶺土 -粉煤灰基地聚合物材料對 Sr2+,Co2+和 Cs+有良好的吸附性能;并且隨著離子初始濃度和溶液 pH的增大,對這些離子的吸附量也增大。吸附等溫線和動力學實驗表明其吸附過程符合 Freundlich吸附理論。因此該材料可以用于核廢料中 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附和固封,在環境保護方面具有良好的應用前景。

[1] Broden K,Olsson G.Final disposal possibility of radioactive waste components from ITER[J].Fusion Engineering and Design,2003, 69(4):694-695.

[2] Temuujin J,E W illiams R P,Riessen van A.Effect of mechanical activation of fly ash on the properties of geopolymer cured at ambient temperatrre[J].Journal of Materials Processing Technology, 2009,209:5276-5280.

Hydrothermal synthesis of geopolymer and study on adsorption performance thereof

Chen Yilan,Liu Chengwei,Tang Jie
(Guangxi University,Nanning530004,China)

Geopolymerswere preparad from metakaolin and fly ash by hydrothermalmethod.Productwas characterized by XRD.Effects of absorption time,initial concentration,and pH on absorption perfor mance of geopolymer were investigated.Experiment results showed that geopolymers,prepared from metakaolin and fly ash by hydrothmalmethod at 180℃curing for 12 h,with sodium hydroxide and sodium silicate as the alkaline activators respectively,had strong absorbability to Sr2+,Co2+,and Cs+,and absorbability of geopolymers depended on activators.Results indicated:geopolymers can possess good application value in nuclearwaste disposal and other terms of environmental protection.

geopolymer;hydrother malmethod;sodium hydroxide;nuclearwaste disposal

TQ131.12

A

1006-4990(2010)11-0017-03

廣西自然科學基金項目(2010GXNSFC013001)。

2010-05-25

陳益蘭(1957— ),女,教授,研究方向為材料與工程,已公開發表論文30多篇。

聯系方式:chenyilan0008@163.com