常 蘭，向容瑤，張 梅

(1.核工業(yè)西南物理研究院，成都 610041；2．成都理工大學工程技術學院，四川 樂山 614007)

我國南方地區(qū)大量種植柚子，是產(chǎn)柚子大國。柚子皮占全重的50%左右，通常未利用就作為生活垃圾拋棄，造成極大的浪費。相關研究表明，柚子皮的白色絮狀物中含大量的孔隙和纖維組織，其類似于椰殼和玉米秸稈，可以制備成一種具有較豐富的比表面積和孔隙結構的優(yōu)質活性炭,柚子皮活性炭是一種優(yōu)良的生物質吸附劑[1]。

在核燃料和核技術應用領域產(chǎn)生的含鈾放射性廢水，若未妥善處理，會對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成危害[2]。鈾的毒性很強并具有致癌性，會引起急性腎功能衰竭以及大腦、肝臟和心臟等疾病，因此，廢水中鈾的去除和回收的研究越來越受到關注和重視[3]。目前，廢水中鈾的去除方法較多，傳統(tǒng)方法主要有蒸發(fā)濃縮法、離子交換法、混凝沉淀法、膜分離法等[4]。生物質做吸附劑的吸附法與傳統(tǒng)方法相比，具有來源豐富、操作簡單、成本低廉、吸附速率快等優(yōu)點[5～7]。

本文以食品廢棄物柚子果皮作為碳源，制備活性炭，把它作為吸附劑來處理廢水中的鈾，旨在探索一條農(nóng)業(yè)廢棄物資源利用和放射性核素處理的技術方法，為工業(yè)處理含鈾廢水提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 柚子皮活性炭的制備

取新鮮柚子皮洗凈并剪成小塊，再經(jīng)清理、干燥、粉碎,過30目篩后放入瓷坩堝中,加入質量分數(shù)為15%的氯化鋅溶液作為活化劑，攪拌混勻后在室溫下浸漬12h。將浸漬好的料液放入馬弗爐600℃高溫中灼燒兩個小時。活化好的試樣取出立即倒入鹽酸溶液中洗滌至洗滌液的pH接近7。洗滌好后放入恒溫干燥箱中于85℃下烘干12h,待冷卻后,粉碎過65目篩，即得到柚子皮活性炭[1]。

1.2 實驗方法

向250mL容量瓶中加入一定量的鈾溶液，用10%的鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH，再加入一定量的吸附劑，在一定溫度下置于水浴恒溫振蕩器中以120r/min振蕩進行吸附反應，待一定時間后，靜置幾分鐘取上清液放入離心機中以2 500r/min轉速離心后，再移取3mL上層清液，用可見分光光度法測定溶液中鈾的含量，計算出去附率和吸附量。并分別測定pH值、不同吸附時間、鈾初始質量濃度、溫度等對鈾吸附效果的影響。

1.3 吸附性能指標計算方法

吸附率和吸附量的計算分別如下公式(1)和(2)所示[6]：

(1)

(2)

式中：m—吸附劑的投加量 g；C0、Ce—初始、平衡時鈾濃度 mg/L；V—鈾溶液體積 L。

1.4 吸附等溫線

對不同溫度下的柚子皮活性炭吸附鈾的等溫吸附數(shù)據(jù)分別用Langmuir和 Freundlich等溫吸附方程進行分析[8]。

Langmuir等溫吸附方程：

(3)

Freundlich等溫吸附方程：

lnQe=lnKf+nlnCe

(4)

其中Qmax—最大吸附量(mg/L)；b—和自由能有關的常數(shù)(L/mg)；

Kf—Freundlich常數(shù)；n—非線性系數(shù)。

2 結果和討論

2.1 pH對鈾吸附性能的影響

圖1 pH值對鈾吸附的影響Fig.1 Effect of pH value on the adsorption of uranium

2.2 吸附時間對吸附的影響

由圖2中曲線的走勢可以表明，吸附時間不斷增加，柚子皮活性炭與溶液中的鈾酰離子接觸更為充分，致使吸附率和吸附量逐漸增加。在吸附前60min吸附曲線呈直線上升趨勢，吸附速率很快，到100min基本達到吸附平衡，但實驗為了保證吸附完全達到飽和，故實驗最終確定的吸附平衡時間為120min。

圖2 時間對鈾吸附的影響Fig.2 Effect of time on the adsorption of uranium

2.3 鈾初始濃度對吸附的影響

由圖3可以得出，在鈾初始濃度低于30mg/L時，吸附率低于25%，說明柚子皮活性炭在較低濃度鈾下富集作用較低，吸附能力較弱，而在30～200mg/L初始鈾濃度下，吸附率達到70%～90%，這主要是因為在一定濃度范圍內(nèi)，鈾酰離子能夠與柚子皮活性炭接觸充分，使得富集較多的鈾酰離子與活性炭發(fā)生吸附作用，當鈾初始濃度增加到一定濃度后，由于吸附劑的量有限，無法吸附過量的鈾酰離子，致使吸附達到平衡，吸附率隨之下降。因此，柚子皮活性炭更為適宜作為中低濃度鈾的吸附劑。

圖3 鈾初始濃度對鈾吸附的影響Fig.3 Effect of initial concentration on the adsorption of uranium

2.4 吸附劑的投加量對吸附的影響

由圖4可以得出，鈾的吸附率隨著柚子皮活性炭投加量的不斷增加而不斷增大。當柚子皮活性炭投加到2.5g時，鈾的吸附率達到97.15%，繼續(xù)增加柚子皮活性炭的量，吸附率變化也不大。然而吸附量隨著柚子皮活性炭投加量的增加反而減少，這主要是因為柚子皮活性炭投加量的增加使吸附的總表面積增加即活性位點的數(shù)目增加，單位吸附量就會相應減少，從而使鈾吸附率減小，影響吸附劑的使用效率，不利于實際應用。

圖4 柚子皮活性炭投加量對鈾吸附的影響Fig.4 Effect of PPAC dosage on the adsorption of uranium

2.5 溫度對吸附的影響

由圖5可以得出，隨著溫度的上升，柚子皮活性炭對鈾酰離子的吸附率和吸附量逐漸上升，但增幅較小。25℃時，吸附率為73.23%，吸附量為2.20mg/g；55℃時吸附率為86.51%，吸附量為2.60mg/g；吸附量增加了0.4mg/g。這說明溫度的升高有利于柚子皮活性炭對鈾酰離子的吸附。

圖5 溫度對鈾吸附的影響Fig.5 Effect of temperature on the adsorption of uranium

2.6 吸附等溫線

將298K、308K、318K時柚子皮活性炭對鈾的吸附用Langmuir和Freundlich模型來描述。圖6為擬合的吸附等溫線，由圖6可知，Langmuir等溫吸附模型擬合的R2達到了0.99，大于Freundlich等溫吸附模型的R2值0.92，說明柚子皮活性炭吸附鈾酰離子的過程很好的符合Langmuir等溫吸附模型，說明其吸附過程是單層吸附。

圖6 Langmuir和Freundlich 等溫吸附線Fig.6 Langmuir and Freundilich isotherms for the adsorption of uranium by PPAC

由公式和擬合的直線方程計算各項參數(shù),結果列于下表中。從表中也可以看出吸附量和溫度呈正相關，理論最大吸附容量由10.77mg/g升高到12.10mg/g，升溫促進吸附反應的進行。吳素強[9]等用椰殼活性炭和改性椰殼活性炭為原料對鈾進行吸附，吸附容量分別為 3.01 mg/g和 3.62 mg/g。本文研究發(fā)現(xiàn)柚子皮活性炭對鈾的理論最大吸附容量為12.10mg/g ，說明柚子皮活性炭是一種吸附性能優(yōu)異的生物質吸附劑。

表 柚子皮活性炭對鈾的Langmuir、Freundlich吸附模型擬合參數(shù)Tab. Constants of Langmuir, Freundlich isotherms for uranium adsorption by PPAC

仝海娟[10]等用柚子皮生物炭處理含錳廢水，對錳離子的去除率為93.5%，理論飽和吸附量為24.691 mg/g；張雙杰[11]等用柚子皮水熱炭對六價鉻進行了吸附，吸附率和吸附容量為分別為99.03%和6.19 mg/g。說明柚子皮活性炭對其他的重金屬元素也具備優(yōu)良的吸附性能，是一種非常有應用價值和潛力的吸附劑。

3 結 論

研究了柚子皮活性炭去除水溶液中鈾離子的過程。在pH=3左右時，柚子皮活性炭對溶液中鈾的吸附率最大；柚子皮活性炭對鈾離子的吸附平衡時間為120min，平衡吸附量隨著鈾離子初始濃度和吸附劑投加量的增大而增大；隨著溫度的上升，柚子皮活性炭對鈾酰離子的吸附率和吸附量小幅上升，溫度的升高有利于柚子皮活性炭對鈾酰離子的吸附；吸附等溫線能更好的被Langmuir 吸附等溫模型擬合，R2值在298K、308K、318K時均為0.99。綜上所述，利用柚子皮制備活性炭用于去除水溶液中鈾離子是一種操作簡便，成本低廉并且吸附能力強的方法，具有廣闊的應用前景和市場價值。