鈾在木纖維上的吸附行為及機理分析

王 哲，易發成，馮 媛

（1.西南科技大學核廢物與環境安全國防重點學科實驗室，四川綿陽 621010；2.中國科學技術大學地球與空間科學學院，安徽合肥 230026）

鈾在木纖維上的吸附行為及機理分析

王 哲1，2，易發成1，馮 媛1

（1.西南科技大學核廢物與環境安全國防重點學科實驗室，四川綿陽 621010；2.中國科學技術大學地球與空間科學學院，安徽合肥 230026）

為了解木纖維對鈾的吸附特性，通過靜態吸附實驗，研究了木纖維的粒度、吸附時間、用量、溫度及溶液的pH值和初始濃度等因素對模擬含鈾廢水中U（Ⅵ）去除率的影響，并從熱力學和動力學方面對吸附過程進行了分析。結果表明：溶液初始pH≈3時，木纖維對鈾的吸附平衡時間為4h，且吸附劑粒徑越小、溫度越高、用量越大，越有利于鈾的去除；鈾在木纖維上的吸附過程符合Langmuir等溫吸附方程，吸附動力學過程可用準二級吸附動力學模型描述，表明化學吸附主要受動力學控制；木纖維吸附鈾是自發的吸熱反應。SEM、FT－IR和EDS分析結果表明，木纖維吸附鈾后表面形態發生了改變，且在吸附過程中鈾主要與木纖維表面活性基團螯合并形成配合物，存在表面絡合吸附行為；吸附鈾前后的能譜對比分析表明，吸附過程中存在離子交換行為。因此，木纖維對鈾的吸附機理是以離子交換和表面絡合吸附為主、物理吸附為輔的混合吸附過程。

木纖維；鈾；吸附性能；吸附行為；吸附機理

在核燃料循環過程中鈾礦開采、水冶、后處理及應用過程中會產生大量含鈾廢水，這些廢水若不妥善處理將對生態環境構成嚴重威脅，因此，對含鈾廢水處理日益受到重視。傳統的處理方法效率低，生物吸附是一種很有潛力的方法，能克服傳統方法的諸多不足［1］。已有研究［2－13］表明，細菌、真菌、藻類和黏土礦物等對鈾具有一定的富集作用，但固液分離及吸附處理效果均不太理想；也有少數研究者將農林廢棄物用于鈾的吸附，該方法處理成本低、二次污染少、易再生利用、回收鈾的可能性大。本文以木纖維作為吸附劑來處理模擬含鈾廢水，通過研究影響吸附性能的因素，以及吸附過程中的吸附熱力學和動力學，分析木纖維吸附鈾的機理，為利用農林廢棄物處理含鈾廢水提供新的思路。

1 實驗

1.1 主要儀器設備

WGJ－Ⅲ型微量鈾分析儀：杭州大吉光電儀器有限公司；Spectrum One型傅里葉變換紅外光譜儀（FT－IR）：美國PE公司；TM－1000型掃描電子顯微鏡（SEM）：日立公司；FA1104電子天平（精度為0.000 1g）：上海良平儀器儀表有限公司；PHS－25A型酸度計：上海大中分析儀器廠；KS康氏振蕩器：金壇市富華儀器有限公司；80－2型離心沉淀機（轉速0～4 000r／min）：深圳市沙頭角國華儀器廠；SHA－C型往返水浴恒溫振蕩器：江蘇大地自動化儀器廠。

1.2 吸附劑及模擬含鈾廢水

1）吸附劑

本文所用吸附劑為木纖維，由四川省生物質改性材料工程技術研究中心提供。首先將木纖維自然風干后磨成粉末狀，然后在50℃下烘干至恒重，過120目篩再烘干至恒重，放入干燥箱內冷卻至室溫，最后裝袋密封、置于干燥器內備用。

2）模擬含鈾廢水的配置

采用電子天平稱取0.019 8g硝酸鈾酰（UO2（NO3）2·6H2O）（精確到0.000 1g），放入燒杯中溶解，然后倒入1 000mL容量瓶中，燒杯和玻璃棒用去離子水反復沖洗3～5次，洗液也置入容量瓶中，最后用去離子水定容，塞緊，反復倒置容量瓶搖晃3～5次，即制得濃度為50μmol／L模擬含鈾廢水溶液，避光儲存備用。在實驗過程中，根據實驗方案，采用分析純NaOH和HCl試劑調節模擬含鈾廢水溶液的初始pH值。

1.3 實驗方法與計算公式

1）根據實驗方案，取100mL錐形瓶（用蒸餾水洗凈、烘干）數個，用電子天平稱量0.1g（精確到0.000 1g）吸附劑數份，分別置于各錐形瓶內，再用50mL量筒量取50mL模擬含鈾廢水溶液倒入錐形瓶內，塞緊。

2）在預定實驗條件下，將錐形瓶置于KS康氏振蕩器上在75r／min下振蕩吸附。

3）振蕩結束后，將錐形瓶從振蕩器上取下靜置幾min，再用移液管取一定量上層清液于離心機內，以3 500r／min離心分離20min。

4）離心結束后，用移液管取一定量上層清液，采用WGJ－Ⅲ型微量鈾分析儀測量上清液中鈾的濃度，根據式（1）計算木纖維對鈾的吸附容量：

式中：Q為吸附容量，mg／g；V為溶液體積，mL；c0為溶液的初始濃度，mg／L；ct為t時刻溶液的濃度，mg／L；W為吸附劑用量，g；η為吸附率，%。

5）通過研究木纖維對模擬放射性廢水中鈾的吸附等溫線和吸附動力學，并對吸附前后木纖維進行SEM、FT－IR和能譜（EDS）分析來綜合探討其對鈾的吸附機理。

2 結果及討論

2.1 木纖維粒度對吸附率的影響

室溫下，分別將質量為0.1g，粒度為20、40、60、80、100、120目的木纖維加入體積為50mL模擬含鈾廢水中，恒溫振蕩吸附4h，研究吸附劑粒度對鈾吸附率的影響，結果示于圖1。由圖1可見：當木纖維粒度為20～100目時，對鈾酰離子的吸附率隨粒徑的減小而增大；當木纖維粒度為100～120目時，吸附率的增大趨勢隨吸附劑粒徑的減小而變緩，說明該粒度范圍內木纖維對鈾酰離子的吸附率受粒度影響較小。這是由于木纖維粒徑越小，比表面積越大，暴露出的有效吸附位點越多，鈾酰離子與其接觸的機會就越多，從而導致吸附率增大；當木纖維粒度大于100目時，暴露出的有效吸附位點趨于穩定，從而出現吸附率與吸附劑粒度關系曲線末段趨于平緩的現象。因此，本實驗吸附劑粒度選擇控制在120目，并在此基礎上開展其他相關實驗研究。

2.2 吸附時間對吸附率的影響

2.1節中其他條件不變，木纖維粒度為120目，預定振蕩時間為0.5、1、1.5、2、3、4、6h，研究吸附時間對鈾吸附率的影響，結果示于圖2。由圖2可見：在開始的1h內，隨著吸附時間的延長，木纖維對鈾酰離子的吸附率快速增大，1h時其吸附率已達49.7%，這是因為在吸附初期，木纖維對鈾酰離子吸附主要是在其外表面和部分微孔內進行，在短時間內即可完成；之后，隨著吸附接近飽和，加上濃度不斷減小，吸附推動力減弱，導致吸附速率變慢，并在4h時吸附率達53.5%，之后趨于平緩。說明木纖維對鈾酰離子的吸附已達到平衡。因此，確定木纖維對鈾的吸附時間為4h。

圖1 吸附劑粒度對鈾吸附率的影響Fig.1 Effect of adsorbent particle size on removal rate of uranium

圖2 吸附時間對鈾吸附率的影響Fig.2 Effect of adsorption time on removal rate of uranium

2.3 木纖維用量對吸附率的影響

2.1節中其他條件不變，改變120目木纖維的用量（0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0g），研究其對鈾吸附率的影響，結果示于圖3。由圖3可見，鈾的吸附率隨木纖維用量的增大而增大。這是因為木纖維用量的增加使得總比表面積增大，導致其與鈾酰離子的接觸面積也增大；同時，吸附位點和參與吸附的官能團的數量增多，從而增大了鈾酰離子的吸附率。因此在處理含鈾廢水時，加大木纖維的加入量能更好地去除廢水中的鈾酰離子。

2.4 溫度對吸附率的影響

2.1節中其他條件不變，改變反應溫度為15、30、45、60℃，研究溫度對鈾吸附率的影響，結果示于圖4。圖4表明，木纖維對鈾酰離子的吸附率隨溫度的升高逐漸增加，說明溫度對鈾酰離子的吸附影響較大。這是由于溫度升高時，鈾酰離子的運動加快，提高了外擴散和內擴散速率，有利于克服化學吸附活化能的障礙，且吸附主要發生在木纖維的表面，因而提高了木纖維對鈾酰離子的吸附率。因此，升高溫度有利于吸附廢水中的鈾酰離子。

圖3 木纖維用量對鈾吸附率的影響Fig.3 Effect of wood fiber dosage on removal rate of uranium

圖4 溫度對鈾吸附率的影響Fig.4 Effect of temperature on removal rate of uranium

2.5 pH值對吸附率的影響

濃度，H＋與UO2＋2發生競爭吸附，H＋與木纖維官能團結合，占據了活性位點，所以木纖維在低pH值時，對鈾的吸附率較低，隨著pH值的增大，溶液中UO2＋2濃度高于H＋濃度，UO2＋2與木纖維官能團結合，占據了活性位點，導致其吸附率增大，表現為曲線上升；當pH＞3時，UO2＋2開始水解，并形成UO2（OH）2，沉積在木纖維表面，覆蓋了部分活性位點而導致吸附率降低；當pH值接近中性時，溶液中的鈾主要以UO2OH＋、（UO2）2（OH）2＋2、（UO2）3（OH）＋5等絡合離子的形式存在［15］，這些帶正電荷的陽離子與帶負電荷的木纖維官能團產生強烈的絡合吸附，同時，還會形成微量的鈾沉淀，表現為曲線緩慢下降；當pH＞7時，溶液中的UO2＋2等離子與OH－生成UO2（OH）2沉淀，并富集在木纖維表面，最終導致其吸附率趨于穩定。

圖5 初始pH值對鈾吸附率的影響Fig.5 Effect of pH on removal rate of uranium

2.6 初始濃度對吸附率的影響

2.1節中其他條件不變，改變模擬含鈾廢水的初始濃度為0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5mmol／L，研究溶液初始濃度對吸附率的影響，結果示于圖6。圖6顯示，木纖維對鈾的吸附率隨鈾初始濃度的增大而減小。這一方面是由于溶液中添加的木纖維數量一定，其提供的可吸附位點有限，而與有限的吸附位點相比，較高的初始濃度使得鈾酰離子較多，吸附達到過飽和而制約了吸附過程的順利進行，從而造成吸附率降低；另一方面由于溶液初始pH值控制在6.5～7.0之間，鈾酰離子的初始濃度越高，其生成的UO2（OH）2沉淀越多，富集在木纖維表面的也越多，抑制了木纖維表面吸附鈾酰離子的活性位點，從而導致溶液濃度越大，吸附率越小。此外，由于高濃度的模擬含鈾廢水可能導致木纖維細胞壁結構的破壞，導致有效吸附位點減少。

圖6 含鈾廢水初始濃度對鈾吸附率的影響Fig.6 Effect of initial concentration on removal rate of uranium

3 吸附行為及機理分析

3.1 吸附等溫線分析

常用Langmuir、Freundlieh和D－R（Dubinin－Radushkevich）等吸附等溫式模型來描述吸附達到平衡后，吸附質在固／液兩相間的分配。其中，Langmuir吸附等溫式模型為：

Freundlich吸附等溫式模型為：

D－R吸附等溫式模型為：1

式中：ce為平衡濃度，mg／L；Qe為平衡吸附量，mg／g；Qm為最大吸附量，mg／g；KL、KF為吸附平衡系數；n為Freundlich吸附指數；ε為Polanyi電位，kJ／mol；β為平均吸附自由能活度系數，mol2／kJ2；R為氣體常數，8.314J／（mol·K）；T為熱力學溫度，K；E為平均吸附自由能（由溶液相轉入吸附劑表而所引起的自由能變化），kJ／mol。

參照2.6節中靜態吸附實驗，將含U（Ⅵ）模擬廢液的初始濃度c0分別調至91.25、57.02、28.39、14.25、5.74、2.85mg／L，在達到吸附平衡時，木纖維對U（Ⅵ）的平衡吸附量Qe分別為9.26、8.84、6.36、3.69、1.64、0.90mg／g，溶液相中U（Ⅵ）的濃度ce分別為72.74、39.35、15.67、6.87、2.46、1.05mg／L。分別以ce／Qe對ce、lg Qe對lg ce及ln Qe對ε2作圖，結果示于圖7。根據圖7各直線的斜率和截距得到Langmuir模型參數Qm＝11.04mg／g，KL＝0.80L／mg，RL＝0.12、0.18、0.31、0.47、0.69、0.81；Freundlich模型參數KF＝1.023L／mg、1／n＝0.575；D－R模型參數Qm＝75.90mg／g、β＝0.004 9mol2／kJ2、E＝10.102kJ／mol。

圖7 等溫吸附式模型擬合曲線Fig.7 Fitting line of isothermal adsorption model

由圖7可知，Langmuir、Freundlich和D－R吸附等溫式模型均能較好地描述木纖維對U（Ⅵ）的吸附過程，但Langmuir吸附等溫式模型的相關系數R2＞0.99，相對于Freundlich和D－R吸附等溫式模型，Langmuir吸附等溫式模型更適合描述木纖維對U（Ⅵ）的吸附過程，這說明木纖維對U（Ⅵ）的吸附介于單分子層和多分子層之間，且化學吸附在U（Ⅵ）與木纖維的表面的相互作用過程中占主導地位，即木纖維分子中每個吸附點位均只能吸附一個鈾酰離子，當所有的吸附點位均被占據后，吸附達到動態平衡。同時，由圖4還可知，隨著溫度的升高，木纖維對鈾的吸附率增大，說明溫度升高有利于木纖維對U（Ⅵ）的吸附，其吸附過程是吸熱反應，也側面驗證了該吸附過程符合單分子層吸附理論。

此外，可通過RL、1／n和E等參數來評價木纖維對U（Ⅵ）的吸附性能［16］。

1）根據分離因子RL來判斷木纖維是否適用于對U（Ⅵ）的吸附。RL＞1時，不利于吸附，不適合吸附該核素離子；0＜RL＜1時，有利于吸附，適合用作處理該核素的吸附劑；RL＝0時，為不可逆吸附；RL＝1時，為線性吸附。根據不同初始濃度下計算得到的RL均小于1，表明木纖維吸附U（Ⅵ）是個有利的吸附過程。

2）n為Freundlich吸附指數，表征吸附強度的量度，當0.1＜1／n＜0.5時，吸附易于進行，當1／n＞2時，吸附難以進行。根據計算得到的1／n＝0.575，說明吸附較易進行。

3）通過E值可判斷木纖維對核素的吸附機理。當8kJ／mol≤E≤16kJ／mol時，吸附主要通過離子交換過程來完成；當E≤8kJ／mol時，物理吸附的作用可能是吸附的主要機理；當E≥16kJ／mol時，擴散很可能是吸附的主要方式。根據計算得到的平均吸附能E＝10.102kJ／mol，可判斷吸附反應屬于化學吸附，且以離子交換反應為主。

3.2 吸附熱力學分析

吸附自由能是吸附推動力和吸附優惠性的體現，而溫度是影響放射性核素在固－液界面吸附的一個很重要的參數。根據不同溫度下的吸咐等溫線可得到吸附質在吸附劑上吸附的相關熱力學參數：吉布斯自由能變（ΔG0）、焓變（ΔH0）和熵變（ΔS0），相關計算公式如下：

式中：cad為平衡時吸附質在吸附劑上的濃度，mg／L；kd表觀吸附平衡常數。

按照式（10），對ln kd－1／T作圖，如圖8所示。由于是實際溶液，根據不同溫度下所得直線的斜率和截距，可求得不同溫度下的表觀ΔG0、ΔH0和ΔS0，其熱力學參數的計算結果列于表1。由表1可見，ΔH0＝10.172kJ／mol＞0，說明U（Ⅵ）在木纖維表面上的吸附是一個吸熱過程；ΔG0為負值，說明U（Ⅵ）在木纖維上的吸附是一個自發進行的過程，并隨著溫度的升高，ΔG0減小，說明高溫有利于反應的進行；ΔS0＝35.32J／（mol·K）＞0，一方面說明在吸附過程中吸附質并不以簡單的離子形式存在，它們經常會與水結合（水化作用或水解作用）生成水合離子或分子，當吸附質的水合離子或分子被吸收時，其結合水可能會離解出來，重新回到溶液中，這個過程會增加系統的熵，2.5節中pH值對吸附率影響特征也說明了這點；另一方面，在吸附過程中木纖維的微觀結構發生了改變，這也是導致熵增加的主要原因，因此，兩種因素的共同作用導致了系統的熵增大。

圖8 溫度對U（Ⅵ）在木纖維上的表觀吸附常數的影響Fig.8 Effect of temperature on apparent equilibrium adsorption constant of U（Ⅵ）adsorption on wood fiber

3.3 吸附動力學分析

吸附動力學用于預測不同吸附時間下可達到的吸附效率。在固－液靜態吸附的研究領域中，常用準一級動力學模型和準二級動力學模型描述吸附動力學行為，其中準二級動力學模型的速率控制步驟是化學吸附過程。兩種模型的動力學方程如下：

表1 U（Ⅵ）在木纖維上的吸附過程熱力學參數Table 1 Thermodynamic parameters for adsorption of U（Ⅵ）on wood fiber

當t→0時，可得到準二級吸附動力學模型的初始吸附速率h：

式中：Qt為t時刻的吸附量，mg／g；k1、k2分別為準一級和準二級吸附速率常數；t為時間，min。

當初始濃度c0＝14.57mg／L，木纖維用量為0.1g，模擬含鈾廢水體積為50mL，T＝30℃，t＝30、60、90、120、180、240、360min時，用以上方程對所得實驗數據進行擬合得到吸附動力學參數。結果顯示，達到吸附平衡時Qe＝3.93mg／g，不同時間對應的吸附量分別為Qt＝3.36、3.62、3.71、3.79、3.86、3.90、3.93mg／g。對lg（Qe－Qt）－t作圖，擬合出的準一級動力學模型線性圖如圖9a所示，通過計算圖9a的直線斜率和截距可分別得到Qe＝0.758mg／g和k1＝0.013g／（mg·min）；對t／Qt－t作圖，擬合出的準二級動力學模型線性圖如圖9b所示，通過計算圖9b中直線的斜率可得到Qe＝3.995mg／g、k2＝0.039 9g／（mg· min）、h＝0.638mg／（g·min）。因此，由準一級動力學模型計算得到的Qe（0.758mg／g）與實測值（3.93mg／g）不吻合，且R2相對較低；而準二級動力學模型計算得到的Qe（3.995 mg／g）與實測值（3.93mg／g）較接近，且R2＝1.000。說明采用準二級動力學模型能很好地描述木纖維對U（Ⅵ）的吸附過程，表明化學吸附過程是吸附動力學的主要控制步驟。

3.4 吸附機理探討

1）木纖維吸附鈾前后的SEM分析

圖10為木纖維吸附U（Ⅵ）前后的SEM圖像。由圖10a可見，木纖維紋路較清晰，表面較粗糙，分布有較多的空隙和空洞，呈現不規則的多孔結構，空洞和孔隙張開度較大，且孔結構粗糙、呈毛刺狀。孔隙和空洞的存在一方面增大材料的表面積，使更多的吸附位點暴露出來，另一方面為吸附水中的金屬離子提供了必要的通道及足夠的吸附空間，便于核素離子向內部擴散，這種表面粗糙和多孔的結構有利于對U（Ⅵ）的吸附。對比吸附前后的SEM圖像可知，吸附U（Ⅵ）后，木纖維表面上分布的空隙和空洞被U（Ⅵ）填充，細小裂隙減少或基本不見，毛刺消失，空洞變小且相對光滑圓潤。表明木纖維對U（Ⅵ）存在內部孔道吸附，木纖維主要由木質素和纖維素等構成，這些物質可提供大量的有機基團，與作為配體和有空軌道的鈾酰離子相互鍵合，從而改變了其表面形態。正是由于木纖維的這種表面形態的改變，增加了吸附系統的熵值，使系統的無序度增強，這與3.2節中實驗分析結果相吻合。

圖9 吸附動力學方程擬合曲線Fig.9 Fitting curve of adsorption kinetics equation

圖10 木纖維吸附U（Ⅵ）前（a）、后（b）的SEM圖像Fig.10 SEM images of wood fiber before（a）and after（b）adsorption of U（Ⅵ）

2）木纖維吸附鈾前后的FT－IR分析

木纖維成分復雜，內含纖維素、木質素等。樣品在整個波數范圍內均有明顯的吸收，使得某些峰未能表現出來，一些不太靈敏的吸收峰被掩蓋。

圖11 木纖維吸附U（Ⅵ）前、后的FT－IR譜Fig.11 FT－IR analyses of wood fiber before and after adsorption of U（Ⅵ）

圖11中曲線a為木纖維吸附U（Ⅵ）前的FT－IR譜，按文獻［17］對吸收譜帶進行歸屬：3 411.5cm－1處的強且寬的吸收峰為締合的O—H伸縮振動峰，說明木纖維表面存在羥基，該伸縮振動可能是由于木纖維表面的硅醇基（Si—OH）、其他羥基和吸收的水分中游離和締合的羥基振動引起的；2 923.6cm－1處的吸收峰為甲基（—CH3）、亞甲基（—CH2）和次甲基（—CH）的不對稱伸縮振動峰；1 635.8cm－1處的吸收峰為羧基和羰基中的C—O伸縮振動峰；1 606.3cm－1和1 511cm－1處的吸收峰是由于木質素中芳香環骨架的伸縮振動而引起的，而1 463.2cm－1的吸收峰為甲基（—CH3）和亞甲基（—CH2）中C—H鍵的不對稱彎曲振動峰；1 423.6cm－1和1 227.7cm－1處的吸收峰可能是由木質素中酚羥基的O—H伸縮振動引起的。這些特征譜帶證明木纖維中含有木質素成分；1 375.1cm－1處的吸收峰為纖維素和半纖維素中甲基（—CH3）的C—H鍵對稱彎曲振動峰，1 335.9cm－1和1 319cm－1處的弱吸收峰是纖維素的醇羥基的面內振動峰，1 267.8cm－1是纖維素的羥基平面振動吸收峰，而1 058.9cm－1及1 033～1 162cm－1處的一系列纖維素特征振動峰，主要產生于O—H的彎曲振動和C—O—C非對稱伸縮振動，可能含有P—O—C的伸縮振動及Si—O—Si振動作用；896.5cm－1處的吸收峰由環狀C—O—C不對稱面外伸縮振動引起的；876.9、838.8和812.2cm－1處的吸收峰為芳香環中C—H彎曲振動引起的；617.8cm－1附近的吸收峰是醇羥基中O—H的面外變形振動引起的。由此可推斷，木纖維中大量存在的主要官能團是處于締合狀態的羥基、羧基、羰基、P—O和Si—O等，它們處于木纖維表面，對于吸附U（Ⅵ）起到關鍵作用。

木纖維吸附U（Ⅵ）后的紅外光譜如圖11中曲線b所示。總地來說，吸附U（Ⅵ）后的光譜與吸附前相比變化不大，紅外光譜譜峰并無明顯改變，僅出現了漂移，并無新的譜帶出現，這表明木纖維吸附U（Ⅵ）后，自身結構并未發生改變。其中，3 411.5cm－1處—OH峰向低波數移動了11.5cm－1（3 400cm－1），峰強減弱；1 635.8cm－1處羧基和羰基峰則向低波數移動不明顯，但峰強減弱；1 423.6cm－1和1 227.7cm－1處的酚羥基峰向低波數移動了約1cm－1，峰強減弱；1 335.9、1 319和617.8cm－1處的醇羥基峰向低波數移動了1～2cm－1，峰強減弱；1 058.9cm－1和1 033～1162cm－1處的O—H、C—O、P—O和Si—O的振動峰移動不明顯，但峰強增強；896.5cm－1處的C—O的振動峰移動不明顯，但峰強減弱。以上結果表明，木纖維吸附U（Ⅵ）后，其結構仍保持相對完整，締合羥基、羧基、羰基、P—O和Si—O等活性基團在U（Ⅵ）吸附過程中起著重要作用，而鈾主要與這些活性基團螯合并形成配合物，其木纖維對U（Ⅵ）的吸附主要由以下步驟完成：U（Ⅵ）→木纖維固液界面→木纖維表面→木纖維微孔→與活性位置結合。因此，木纖維對鈾吸附的機理存在表面絡合吸附。

3）木纖維吸附鈾前后的EDS分析

木纖維吸附鈾前后的EDS譜示于圖12，元素分析結果列于表2。由圖12可見，木纖維中主要含有C、O、Na、K、Si、P、Cl等元素。對比圖12a、b和表2可見，木纖維吸附U（Ⅵ）后Na和K的峰值和含量均降低，而木纖維樣品中出現U（Ⅵ）的特征峰，同時U（Ⅵ）含量從0%增加到2.61%，這是由于吸附過程中存在離子交換而使Na＋和K＋溶解到了液相中，而液相中的U（Ⅵ）被吸附進入木纖維孔道內。同時，對吸附后的溶液進行X射線熒光光譜分析（X－RF），結果顯示，溶液中確實存在Na＋和K＋。由此說明，木纖維吸附U（Ⅵ）的過程中存在離子交換，與3.1節中實驗分析結果相吻合。

圖12 木纖維吸附U（Ⅵ）前（a）、后（b）的EDS譜Fig.12 EDS spectra of wood fiber before（a）and after（b）adsorption of U（Ⅵ）

表2 木纖維吸附U（Ⅵ）前、后元素含量變化Table 2 Element content change in wood filber before and after adsorption of U（Ⅵ）

4 結論

1）溶液初始pH≈3時，木纖維對鈾的吸附平衡時間為4h，且吸附劑粒徑越小、溫度越高、用量越大，越有利于鈾的去除。

2）木纖維對鈾的吸附符合Langmuir吸附等溫式模型，表明木纖維對鈾的吸附介于單分子層和多分子層之間，在鈾與木纖維的表面相互作用過程存在化學吸附，而這種化學吸附又以離子交換反應為主。EDS譜、X－RF譜分析進一步證明了木纖維吸附鈾過程中存在離子交換反應。

3）木纖維吸附鈾是自發的、吸熱的吸附反應，且高溫有利于反應的進行。

4）木纖維對鈾的吸附動力學行為符合準二級動力學模型，相關系數R2＝1.000，表明其吸附過程中存在化學吸附。

5）木纖維吸附U（Ⅵ）前后的SEM圖像對比表明，木纖維對鈾存在內部孔道吸附，而鈾主要與木纖維表面的羥基、羧基、羰基、P—O和Si—O等活性基團螯合并形成配合物，表明木纖維對鈾吸附的機理也存在表面絡合吸附。

6）木纖維吸附鈾前后的FT－IR譜表明，木纖維的基本結構仍保持完整。

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Adsorption Behavior and Mechanism of Uranium on Wood Fiber

WANG Zhe1，2，YI Fa－cheng1，FENG Yuan1
（1.Fundamental Science on Nuclear Wastes and Environmental Safety Laboratory，
Southwest University of Science and Technology，Mianyang621010，China；2.School of Earth and Space Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China）

The adsorption performance of uranium on wood fiber was studied with static experiment.The influence factors on the U（Ⅵ）removal rate such as wood fiber particle size，adsorption time，dosage，temperature，pH and initial concentration were researched，and the adsorption process was analyzed in terms of thermodynamics and kinetics.The results show that the adsorption equilibrium time is 4hours.When the pH reaches 3for uranium－containing wastewater，uranium can be removed with the decrease of the size of adsorbent and with the increase of adsorbent dosage and temperature.The equilibrium adsorption data fit to Langmuir isotherms.The kinetic analysis shows that the adsorption rate is mainly controlled by chemical adsorption.The adsorption process can be described by an equation of pseudo 2nd－order model.The thermodynamic data indicate that the synergistic uranium bio－sorption by wood fiber is a spontaneous and endothermal adsorption process.The adsorption mechanism was analyzed with SEM，FT－IR and EDS.The results show that the surface form of wood fiber is changed and uranium mainly chelates with active groups on the fiber’s surface and forms the complexes.These indicate that the adsorption of uranium should be of surface coordination.The analyses of EDS before and after adsorption of uranium prove that the behavior of adsorption is ion exchange.The above results indicate that the adsorption mechanism is mainly surface coordination and ion exchange adsorption，followed by physical absorption.

wood fiber；uranium；adsorption performance；adsorption behavior；adsorption mechanism

O647.3

A

1000－6931（2015）02－0263－10

10.7538／yzk.2015.49.02.0263

2013－10－21；

2014－07－22

國家自然科學基金資助項目（41402248）；四川省教育廳科技創新團隊資助項目（12zd1106）；固體廢物處理與資源化教育部重點實驗室基金資助項目（12zxgk11）；非金屬復合與功能材料重點實驗室基金資助項目（11zxfk06）；核廢物與環境安全國防重點學科實驗室團隊基金資助項目（13zxnk08）

王 哲（1979—），男，吉林乾安人，講師，博士研究生，環境科學專業