康逢福，樊立靜

（1.福建寧德核電有限公司，福建 寧德 352100；2.寧德海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 寧德 352100）

我國以煤炭、石油為主的能源結構，是環(huán)境日益惡化的重要因素。隨著人們對環(huán)境的重視程度逐漸提高，核電以清潔、無污染的特性得到極大發(fā)展，同時，核電發(fā)展帶來的放射性廢水的處理方式也越來越受到重視。放射性廢水中含有鈾、釷、鐳、銫等放射性元素，其中，鈾一般以六價形式（UO2

2+）存在。鈾、釷、鐳、銫等放射性元素對人體和生物的直接危害主要是輻射能量吸收引起的致電離作用，致使白血球增加、癌變和其他放射性病變，乃至危害生命。重金屬元素排放到環(huán)境中后，會危害水生物、植物等的生長繁衍，在魚類等生物體中富集，最終影響人類健康。

1 吸附法概述

吸附法是用多孔性的固體吸附劑處理放射性廢液，使其中所含的一種或數(shù)種核素吸附在它的表面上，從而達到去除有害元素的目的。吸附劑不但可以吸附分子，還可以吸附離子，吸附劑對不同的核素有不同的選擇性。吸附法具有處理效率高、成本低、選擇性好、投資少、運行費用低、吸附劑來源廣泛豐富等特點。

2 吸附劑材料

用于處理含鈾廢水的吸附材料主要有黏土礦物、天然高分子化合物、碳材料、復合吸附材料和生物質(zhì)材料等。

2.1 黏土礦物

黏土礦物因其能制作成細小顆粒狀物質(zhì)，具有較大的比表面積、多孔結構、陽離子交換容量大、物理吸附性能和表面化學活性好等特殊性能，在處理含鈾廢水上具有一定的價值。目前，實驗研究證明能夠運用于含鈾廢水處理的礦物主要有：高嶺土、膨潤土、凹凸棒石、硅藻土、四方纖鐵礦。

2.2 天然高分子化合物

天然高分子化合物是自然界中由生化作用或光合作用而形成的高分子化合物，存在于動物、植物或礦物內(nèi)。其成分一般較為復雜，可用物理和化學方法凈化、加工或改性。常見的天然高分子化合物有纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素和天然橡膠等。

由于天然高分子化合物具有無毒、可降解和易功能化等特點，用天然高分子化合物處理含鈾廢水，受到科研工作者的廣泛關注。Yi等通過靜態(tài)實驗研究了pH、溫度和反應時間等因素對殼聚糖粉末吸附廢水中鈾（VI）的影響，Bai等研究了海藻酸鈣球對廢水中鈾（VI）的吸附特性。但天然高分子化合物存在提取難度大，成本較高等缺點。

2.3 碳材料

碳材料具有多孔、比表面積大和酸堿穩(wěn)定性好等優(yōu)點，常用作吸附材料?；钚蕴?、介孔碳、碳納米管和水熱碳等一系列傳統(tǒng)和新型碳材料在含鈾廢水處理方面也有廣泛應用。Yi等通過吸附實驗研究表明，杏殼活性炭有良好的鈾吸附性能。Sun等研究了氧化多壁碳納米管對廢水中鈾的吸附性能。

需要指出的是，碳材料吸附劑存在制備成本高、材料產(chǎn)出率較低和再生較困難等缺點。

2.4 復合吸附劑

復合吸附劑由吸附功能基團和基體組成，兩者通過化學鍵或范德華力連接在一起，具有基體材料豐富、功能基團可根據(jù)吸附目標進行選擇和可設計等優(yōu)點，可有針對性地提高對鈾等放射性元素的吸附量和吸附選擇性。

Jamali等合成了一種水楊醛改性介孔硅復合材料，該材料用來吸附溶液中的鈾，吸附速率非?？?，且對鈾的選擇吸附性好。Cao等合成了磷改性的聚（苯乙烯-二乙烯基苯）螯合樹脂復合材料，該材料對溶液中的鈾吸附去除率最高達到99.72%，且可多次反復使用。這是由于復合吸附劑合成過程復雜，成本較高。

2.5 生物質(zhì)材料

由于生物質(zhì)材料相比于其他吸附材料，具有原料價廉易得、處理過程簡單和二次污染較小等特點，越來越受到國內(nèi)外研究者的重視。目前，已被用于含鈾廢水吸附研究的農(nóng)林生物質(zhì)主要有小麥秸稈、花生殼、馬尾松木屑、梧桐樹葉、稻殼和馬尾松花粉等。表1列舉了部分可用于吸附分離溶液中鈾離子的農(nóng)林生物質(zhì)吸附材料及其吸附特性。

表1 用于吸附分離鈾離子的農(nóng)林生物質(zhì)吸附劑

3 影響吸附的因素

3.1 pH

溶液pH是影響吸附反應的關鍵因素，其不僅會影響吸附劑的表面電荷，還能影響吸附質(zhì)的電離度和物質(zhì)形態(tài)以及鈾酰離子在溶液中的水解情況，進而影響吸附劑對鈾離子的吸附機理。當pH較低時，溶液中存在的H3O+可能與正價的鈾酰離子爭奪吸附劑上的吸附位點，同時也可能引起生物質(zhì)吸附劑官能團質(zhì)子化，導致生物質(zhì)吸附劑的吸附量低。pH增大時，會引起鈾離子的水解，進而不利于鈾離子的吸附。因此吸附反應需要控制在合適的pH范圍內(nèi)。

3.2 吸附劑用量

吸附劑用量也是決定吸附反應性能的重要因素。其他條件不變的情況下，吸附劑用量越多，提供的能夠用于吸附溶液中鈾離子的表面官能團及吸附位點越多，吸附去除率就越高。但吸附量隨著吸附劑用量的增加而逐漸減小，這可能是由于吸附劑用量的增加，部分吸附劑表面官能團及吸附位點不能有效利用，且當吸附劑大量增加時，可能引發(fā)吸附劑團聚效應。因此，需要尋找一個合適的吸附劑用量，以實現(xiàn)吸附劑的最優(yōu)利用。

3.3 吸附反應時間

吸附反應時間是影響吸附劑對溶液中鈾離子吸附能力的另一個重要因素，通常，隨著吸附時間的增加，吸附去除率及吸附量會逐漸增大，直至平衡。生物質(zhì)吸附劑對溶液中鈾離子的吸附可分為3個階段，即快速階段、慢速階段和平衡階段?？焖匐A段持續(xù)時間短，通常為幾分鐘或幾十分鐘，甚至短至幾十秒，此階段吸附劑表面未被利用的活性位點較多，吸附反應速率快，吸附質(zhì)主要被吸附在吸附劑的外表面；隨著吸附反應的進行，吸附劑表面活性位點逐漸被利用完，鈾離子需克服擴散阻力進入吸附劑內(nèi)表面，與吸附劑內(nèi)部的活性位點進行吸附反應，吸附反應速率較慢，稱為慢速階段[5]；當溶液中鈾離子的吸附和解吸速率達到平衡時，吸附反應進入平衡階段。為了充分利用吸附劑，使其達到吸附飽和，需要足夠長的接觸時間，然而，對于工業(yè)應用來說，時間的增加意味著效率的降低，經(jīng)濟上不劃算。因此，吸附時間也需合理選擇。

3.4 溫度

不同的生物質(zhì)吸附劑吸附分離溶液中鈾離子的吸附機理不盡相同，因此，溫度對吸附劑吸附鈾離子的影響也有所不同。物理吸附過程通常是放熱反應過程，該過程中吸附劑的吸附效率會隨溫度的升高而降低；而大多數(shù)的化學吸附反應是吸熱反應，提高溫度有利于化學吸附反應的進行。溫度對吸附反應的影響主要表現(xiàn)在：溫度的升高會使吸附質(zhì)運動加劇，提高其外擴散和吸附劑內(nèi)擴散的速率；同時，溫度的升高有利于克服化學吸附活化能的障礙。但是，過高的溫度，可能會導致生物質(zhì)吸附劑結構的破壞，從而不利于吸附反應的進行。并且，溫度升高，運行費用也勢必增加。

Zareh等研究了溫度對改性膨潤土吸附溶液中鈾離子的影響，研究表明，在25～75 ℃范圍內(nèi)，提高溫度，改性膨潤土對鈾離子的吸附量增加，但溫度對吸附量的影響并不明顯。

3.5 鈾離子初始濃度

一般來說，溶液中鈾離子的初始濃度較低的情況下，吸附劑處于不飽和狀態(tài)，鈾離子能夠較好地被去除，去除率較高，但由于吸附劑未達到吸附飽和，單位質(zhì)量吸附劑的吸附量較低，吸附劑沒有得到有效利用。隨著溶液中鈾離子初始濃度的增加，吸附量會逐漸增大，并在一定濃度下達到吸附飽和狀態(tài)；同時，吸附去除率卻顯著減小。Jauberty等研究了冷杉樹皮對溶液中鈾的吸附機理，發(fā)現(xiàn)鈾溶液初始質(zhì)量濃度小于80 mg/L時，吸附量隨鈾濃度的增加而增大，吸附去除率處于一個較高的水平；鈾溶液初始濃度大于80 mg/L時，平衡吸附量穩(wěn)定在一個值。

4 結語

隨著核工業(yè)的發(fā)展，核燃料生產(chǎn)、核電站運行及核廢料后處理等過程產(chǎn)生大量的含鈾廢水，這些廢水必須經(jīng)過嚴格處理達到排放標準后才能排放。傳統(tǒng)的含鈾廢水處理工藝，存在著價格高昂、易污染和能耗高等缺點，如何高效且廉價地處理含鈾廢水是當前亟待解決的科學問題。吸附法處理含鈾廢水因具有成本低、效率高和二次污染小等優(yōu)點而成為近年來的研究熱點。