改性稻稈吸附U(Ⅵ)的特性研究

肖益群，周彥同，夏良樹,*，李瑞瑞,李 廣

1.南華大學 核科學技術學院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學 化學化工學院,湖南 衡陽 421001

改性稻稈吸附U(Ⅵ)的特性研究

肖益群1，周彥同1，夏良樹1,*，李瑞瑞1,李 廣2

1.南華大學 核科學技術學院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學 化學化工學院,湖南 衡陽 421001

通過靜態吸附實驗，以稻稈為吸附劑、含U(Ⅵ)溶液為吸附質，研究了吸附劑改性方法、吸附劑用量、溶液pH值、吸附溫度等因素對稻稈吸附U(Ⅵ)效果的影響，探討了改性稻稈吸附U(Ⅵ)的熱力學、動力學性質。實驗結果表明，用0.5mol/L NaOH能夠對稻稈進行有效改性，在吸附pH=4.0、吸附時間為180min、改性稻稈投加量為5～8g/L、室溫條件下，改性稻稈吸附U(Ⅵ)可達到較好吸附效果，U(Ⅵ)去除率達到 99.72%；但隨著鈾初始質量濃度的增加，U(Ⅵ)去除率降低。改性稻稈吸附U(Ⅵ)的熱力學過程遵循Langmuir等溫吸附方程，相關系數r2=0.9899；改性稻稈吸附U(Ⅵ)的動力學過程符合準二級動力學方程，相關系數r2達到0.9992。

稻稈；改性；鈾；吸附

隨著原子能工業的迅速發展，與之密切相關的放射性廢水的產生數量和種類也越來越多。若不對放射性廢水進行妥善處理，任其排放，放射性核素就會被植物吸附或動物吸收到體內，從而進入食物鏈，最終危害人類的健康與生態環境安全；放射性核素進入人體后主要蓄積于內臟和骨骼中，對人體造成損傷，引起慢性中毒并誘發多種疾病[1-3]。因這些廢水中放射性核素的毒性、環境遷移性及它們復雜的化學形態，人們越來越重視廢水中鈾的去除及回收方面的研究。目前，處理放射性廢水的主要傳統方法有混凝沉淀法、離子交換法、蒸發濃縮法、膜處理法、萃取法等。這些方法存在工藝復雜、處理繁瑣，易造成二次污染等諸多不足[4-5]。因此，近年來人們一直致力于研究和尋找高效經濟的含鈾放射性廢水處理方法。生物吸附法是一種處理重金屬離子污染的新技術，具有材料來源廣泛、成本低、處理效率高、可回收貴重金屬等優點，因而具有廣闊的應用前景[6-8]。目前，細菌、真菌、藻類等生物吸附劑吸附處理含鈾廢水的研究已有許多報道，而利用農林廢棄物特別是稻稈吸附處理含鈾廢水的研究鮮見報道。

1 實驗材料與方法

1.1 儀器與試劑

721-A型分光光度計，廈門分析儀器廠；SHA-CA水浴恒溫振蕩器，金壇市科興儀器廠；TD4型高速離心機，湖南凱達實業發展有限公司；PHS-3C 型精密pH 計，上海鵬順科學儀器有限公司； FA1004N型電子精密分析天平，精度0.1mg，上海民橋精密科學儀器有限公司。

NaOH、HCl、H2O2、NH4·H2O、丙酮、酚酞，分析純，天津市大茂化學試劑廠；檸檬酸、緩沖溶液、混合掩蔽劑，分析純，阿拉丁試劑有限公司。

改性稻稈的制備：將水稻莖(取自衡陽)切成約5cm段，然后用自來水洗3次，用蒸餾水洗1次。將洗凈的稻稈置于干燥箱80℃下烘干24h，然后將其研磨，過60目標準篩，得到粒徑250μm 稻稈樣品。將樣品置于干燥箱中備用。

吸附水樣由鈾標準溶液[11]配制而成。

1.2 實驗方法

用移液管取一定濃度的鈾溶液50mL放入250mL的錐形瓶中，調節溶液pH值，向其加入一定量的稻稈，置于水浴恒溫振蕩器中反應一定時間，靜置10min后，移取液體于離心管中，以2000～3000r/min離心分離10min后，取10mL上層清液用分光光度法測定溶液中鈾溶液的濃度，并計算稻稈的吸附容量。改性稻稈對溶液中鈾離子的去除率R(%)以及吸附量Q(mg/g)計算公式如下：

(1)

(2)

式中，ρ0和ρe分別為初始和吸附平衡后溶液的離子質量濃度，mg/L；V為溶液體積，L；m為吸附劑的質量，g；Q為平衡時稻稈對金屬離子的吸附容量，mg/g；R為稻稈對金屬離子的去除率，%。

2 結果與討論

2.1 改性劑對稻稈吸附 U(Ⅵ)的影響

分別在50mL的HCl、NaOH、H2O2、NH4·H2O和檸檬酸中加入4g的水稻莖，置于振蕩器上振蕩24h。然后過濾，并用蒸餾水洗凈，直至濾液pH值接近中性。然后將改性的水稻莖在干燥箱中80℃下干燥24h，改性后的稻稈色澤變化示于圖1。分別投加不同改性劑改性后的稻稈0.2g于pH=5.0、質量濃度為10mg/L的鈾溶液中，吸附120min，探討改性劑對稻稈吸附鈾的影響。改性劑對吸附效果的影響列入表1。

c(NaOH)，mol/L：(a)——0.25，(b)——0.5，(c)——1.0，(d)——1.5;(e)——HCl，(f)——H2O2，(g)——NH4·H2O，(h)——檸檬酸(Citric acid)圖1 稻稈改性后的色澤變化Fig.1 Hues changes of rice stem before and after modified by modified materials

表1 改性劑對稻稈吸附U(Ⅵ)的影響Table 1 Effect of modified materials on adsorption of U(Ⅵ)by rice stem

從圖1可知，稻稈經不同改性劑改性后，色澤和質地都發生不同地變化。經NaOH改性的稻稈色澤較其它改性劑改性的稻稈色澤要微淺，且質地相對纖細、柔軟。從表1可知改性的稻稈對 U(Ⅵ)的吸附效果有明顯提高。而經NaOH、HCl、H2O2、NH4·H2O和檸檬酸改性的稻稈與未改性稻稈相比較，經NaOH改性的稻稈吸附效果要好，其中以0.5mol/L NaOH改性劑改性效果最好，去除率達到94.55%，吸附量達到1.89mg/g。這是由于稻稈經NaOH改性后，稻稈中半纖維素、纖維素與木質素之間交聯網狀結構被打破，木質素和半纖維素被溶解出來，增加了水稻的吸附比表面積[9，12]；稻稈中的表面的SiO2和脂類物質與NaOH 反應，增加了稻稈的吸附活性位點[11]。因此，0.5mol/L NaOH能夠較好地改性稻稈，且以下改性稻稈均為經0.5mol/L NaOH改性處理后的稻稈。

2.2 初始pH對改性稻稈吸附U(Ⅵ)的影響

圖2 初始pH對吸附U(Ⅵ)的影響Fig.2 Effect of initial pH on adsorption of U(Ⅵ)

2.3 吸附時間對改性稻稈吸附U(Ⅵ)的影響

在鈾溶液(初始溶液pH=4.0，質量濃度為10mg/L，體積為40mL)中加入改性稻稈0.2g，分別反應20～255min，探討吸附時間對改性稻稈吸附U(Ⅵ)的影響。吸附時間對吸附效果影響示于圖3。從圖 3結果可知，隨著吸附時間增加，改性稻稈對U(Ⅵ)的去除率和吸附量都逐漸增加，在前180min內增加很快，180min以后趨于平緩，吸附逐漸達到平衡，改性稻稈對U(Ⅵ)去除率達到94.51%， 這說明在180～255min,反應達到平衡。這是由于吸附開始時，反應主要在表面的活性位點，隨著反應時間增加，活性位點減少，從而吸附減慢到逐漸平衡。所以，最佳反應時間為180min。

圖3 吸附時間對吸附U(Ⅵ)的影響Fig.3 Effect of time on adsorption of U(Ⅵ)

2.4 鈾初始質量濃度對改性稻稈吸附U(Ⅵ)的影響

圖4 鈾初始質量濃度對吸附U(Ⅵ)的影響Fig.4 Effect of uranium initial mass concentration on adsorption of U(Ⅵ)

2.5 改性稻稈投加量對改性稻稈吸附U(Ⅵ)的影響

圖5 吸附劑投加量對吸附 U(Ⅵ)的影響Fig.5 Effect of adsorbent dose on adsorption of U(Ⅵ)

2.6 溫度對改性稻稈吸附U(Ⅵ)的影響

2.7 改性稻稈吸附U(Ⅵ)的熱力學分析

在吸附平衡研究中，常用Langmuir和Freundlich公式描述等溫吸附過程。Langmuir等溫式假定吸附劑對溶質的吸附為單層吸附，而且由于吸附劑比表面積的限制,其吸附量存在一個最

大值稱為吸附容量，其線性表達式為式(3)：

ρe/qe=ρe/qm+1/bqm

(3)

式中:qe為單位質量吸附劑所吸附的吸附質的質量，mg/g；ρe為吸附平衡時的吸附質質量濃度，mg/L；qm為吸附劑單層最大吸附量，mg/g；b為常數。

工作區地貌以溶蝕丘陵為主，降水充沛，地下水也比較豐富。區內地下水類型主要為巖溶裂隙溶洞水，主要含水巖層為泥盆系棋子橋組(D2q)深灰色厚-巨厚層狀灰巖，巖溶發育程度中等，局部地段發育溶洞，成為地下水運移和儲存場所，地下水水位及流量隨季節變化較明顯；上覆地層為第四系橘子洲組(Qj)，巖性以網紋狀紅土或似網紋狀紅色亞黏土為主，下部由礫石層，松散的砂礫、黏土組成，礫石層、松散的砂礫層中含有一定量的地下水，水位及水量受季節影響較大。

ρ(U)，mg/L：1——5，2——10，3——20，4——30，5——40，6——50，7——60圖6 溫度對吸附U(Ⅵ)的影響Fig.6 Effect of temperature on adsorption of U(Ⅵ)

Freundlich吸附等溫線，其線性表達式為式(4)：

lg qe=(1/n)lg ρe+lg Kf

(4)

式中：qe為單位質量吸附劑所吸附的吸附質的質量，mg/g；ρe為吸附平衡時的吸附質質量濃度，mg/L；Kf為吸附系數，n為常數。其中n值影響吸附性能，n值越大，即1/n值越小，吸附性能越好，一般認為1/n=0.1～0.5時，吸附劑容易吸附吸附質；1/n>2時，則吸附劑難以吸附吸附質[12]。

根據Langmuir公式和Freundlich公式對實驗數據進行擬合，所得曲線示于圖7，等溫吸附數據參數列于表2。比較圖7兩個等溫線方程并結合表2可知，由Langmuir方程相關系數r2=0.9899和Freundlich方程相關系數r2=0.9844可知，Langmuir吸附曲線較Freundlich吸附曲線

圖7 Langmuir(a)和Freundlich(b)吸附等溫線Fig.7 Langmuir(a)and Freundlich(b)adsorption isotherms

擬合得更好，用Langmuir方程描述改性稻稈吸附U(Ⅵ)優于Freundlich方程，即改性稻稈吸附過程單層吸附模式優于多層覆蓋模式，以均勻吸附為主[11]，且改性稻稈較易吸附溶液中的U(Ⅵ)。

表2 改性稻稈的等溫吸附參數
Table 2 Isotherm parameters for U(Ⅵ)adsorption on modified rice stem

LangmuirFreundlichqmbr2Kfnr218 28830 51070 98995 58231 36510 9844

2.8 改性稻稈吸附U(Ⅵ)的動力學研究

吸附動力學研究是為了描述吸附劑吸附溶質速率的快慢，利用動力學吸附模型對數據擬合，探討其吸附機理。實驗數據采用準一級吸附速率、準二級吸附速率、Elovich的經典吸附動力學[15-20]方程模型對改性稻稈吸附鈾進行擬合，方程的線性表達式如公式(5—7)。

準一級吸附速率方程:

ln(qe-qt)=ln qe-k1t/2.303

(5)

準二級吸附速率方程:

(6)

Elovich 模型方程:

qt=a+keln t

(7)

式中：qe、qt分別為吸附平衡和t時刻對鈾的吸附量，mg/g；k1、k2分別為準一級、準二級吸附速率常數，min-1；t為吸附時間，min；ke、a為常數。根據準一級和準二級吸附速率模型、Elovich吸附動力學方程模型對實驗數據擬合，所得曲線示于圖8，吸附動力學參數列于表3。

從圖8等溫線方程并結合表3可知，準二級吸附速率動力學模型較準一級吸附速率方程和 Elovich 模型更能夠較好地描述改性稻稈對鈾的吸附動力學過程，實驗數據與擬合方程參數吻合得較好，其相關系數r2達到0.9992，平衡吸附量1.9467mg/g與實驗結果1.8903mg/g也比較接近。因此,改性稻稈對U(Ⅵ)的吸附動力學符合準二級吸附速率動力學模型，即改性稻稈吸附U(Ⅵ)的速率是建立在化學反應或通過電子共享、電子得失的化學吸附基礎上。

圖8 準一級(a)、準二級(b)和Elovich(c)吸附速率方程Fig.8 Plot of Pseudo-first-order(a),Pseudo-second-order(b),and Elovich diffusion(c)

表3 改性稻稈的吸附動力學參數Table 3 Kinetic parameters of U(Ⅵ)adsorption on modified rice stem

3 結 論

(1)通過對稻稈的改性，可以提高稻稈對U(Ⅵ)的吸附能力，U(Ⅵ)去除率有明顯提高，最佳改性劑為0.5mol/L的NaOH溶液。

(2)改性稻稈吸附U(Ⅵ)溶液的優化條件為：溶液pH=4.0，吸附時間為180min，改性稻稈投加量為5～8g/L，吸附溫度為室溫，且改性稻稈對鈾的吸附量與鈾的初始質量濃度成正比。

(3)改性稻稈對鈾的吸附符合Freundlich等溫吸附特性，相關系數r2達到0.9899，以單層均勻吸附模式為主。改性稻稈的吸附動力學行為可用準二級吸附速率吸附動力學模型擬合，測量值和計算值吻合較好，相關系數r2達到0.9992。

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Adsorptive Characteristic of U(Ⅵ)by Modified Rice Stem

XIAO Yi-qun1,ZHOU Yan-tong1,XIA Liang-shu1,*,LI Rui-rui1,LI Guang2

1.School of Nuclear Science and Technology,University of South China,Hengyang 421001,China; 2.School of Chemistry and Chemical Engineering,University of South China,Hengyang 421001,China

Static adsorption experiments were carried out to study the influence of the modifying agents,the amount of rice stem as the adsorbent,pH,temperature,etc. on the adsorption of U(Ⅵ). The sorption isotherm equations and the kinetic models were used to fit the experimental data. The results show that the rice stem can be modified effectively by 0.5mol/L NaOH,and that at the optimum adsorption conditions,i.e. pH=4.0,180min of the adsorption time,5-8g/L of the amount of adsorbent,the good adsorption behavior is very good with the removal at room temperature. With increases of the initial concentration of U(Ⅵ),the removal rate of U(Ⅵ)is decreased. Under the best experimental conditions,the removal rate of U(Ⅵ)reaches 99.72%. The removal process of U(Ⅵ)by using modified rice stem fits to Langmuir isotherm equation and the correlation coefficientsr2is up to 0.9899. The process of adsorption can be well described by pseudo-second-order model with the relation coefficient to 0.9992.

rice stem; modification; uranium; adsorption

2014-06-19；

2014-12-18

湖南省自然科學基金委員會與衡陽市政府自然科學聯合基金資助項目(14JJ5019)；衡陽市科技局資助項目(2012KS10)；湖南省高等學校科學研究重點項目(12A120)

肖益群(1989—)，男，湖南衡陽人，碩士研究生，核燃料循環與材料專業

*通信聯系人：夏良樹(1966—)，男，湖南衡陽人，博士，教授，從事放射性廢物處理與處置研究，E-mail: publicxls@163.com

X703.1

A

0253-9950(2015)01-0051-07

10.7538/hhx.2015.37.01.0051