李鵬翔,李 周,馬旭媛,張 靜，易武靜,韓玉虎

(中國輻射防護研究院 核環(huán)境科學研究所，太原 030006)

引 言

鈾是主要的天然放射性元素之一，在地殼中的比例大約為百萬分之一，因此環(huán)境樣品中的鈾含量一般都很低。據文獻報道，天然鈾在環(huán)境水中的含量一般為每升0.1微克到幾個微克。關于鈾的分析方法，在20世紀80年代前主要有固體熒光法和分光光度法[1]，80年代后出現了激光熒光法，它們都有較高的靈敏度，可以滿足樣品分析的要求，但是對于一些水質復雜的廢水樣需要進行預處理工作。

本文基于活性炭有很強的吸附能力的特點，能從低濃度的含鈾溶液中把鈾定量吸附[9]。所以選擇活性炭作為鈾的吸附劑，本實驗采用的活性炭是用椰殼制備，經過化學處理后裝入玻璃柱中，然后將含鈾的溶液以動態(tài)過柱的方式流過活性炭吸附柱，最后用MUA型微量鈾分析儀對過柱前后溶液中的鈾含量進行測定，并計算其回收率。從活性炭對鈾的吸附、解吸兩方面開展條件實驗，旨在尋找一種操作簡單，能有效快速分離鈾的分析方法，為大體積水中總鈾及鈾同位素分析提供樣品前處理技術，進一步可以擴展到大體積水樣的現場采樣，大大減少大體積水樣的運輸成本和工作量。

1 實驗材料與方法

1.1 主要試劑與儀器

MUA型微量鈾分析儀，從核工業(yè)北京地質研究院購進；微量移液器(50μL、500μL、5000μL)；吸附柱(Φ35×175 mm)；真空抽濾泵；聚乙烯塑料桶；活性炭，椰殼制備，粒徑小于1mm。

鹽酸，濃度36.0%～38.0%(m/m)；硝酸，濃度65.0%～68.0%(m/m)；鈾熒光增強劑，從核工業(yè)北京地質研究院購進；鈾標準溶液(臨用時配制)：用pH為2的硝酸酸化水將1.00mg/mL鈾標準貯備溶液逐級稀釋成不同濃度的鈾標準溶液。本實驗用到的是0.1μg/mL和0.5μg/mL。

本實驗所用試劑均為分析純。實驗用水為蒸餾水。

1.2 實驗方法

量取一定體積的水樣，用硝酸酸化到pH小于2.0，鼓氮氣法驅除水中溶解的氣體，調節(jié)pH大約為4.0左右；活性炭吸附柱的制備：椰殼活性炭，濃硝酸浸泡48h以上，烘干后，馬弗爐中灼燒4h以上。濕法裝入Φ35×175 mm的離子交換柱中，用蒸餾水淋洗到pH為4。

讓水樣品溶液通過活性炭吸附柱(Φ35×175mm)，用一定體積的6mol/L鹽酸解吸活性炭柱子中的鈾，流速為0.5mL/min，收集解吸液，并經過預處理轉化成硝酸體系，用激光鈾測定儀測定過柱前后溶液中鈾的含量，計算出回收率。本文開展了活性炭的流速穿透實驗、體積穿透實驗以及活性炭吸附鈾后的解吸實驗。

2 實驗結果與分析

2.1 不同流速條件下活性炭對水中鈾的吸附實驗

首先進行了不同流速條件下，活性炭對鈾的吸附效果實驗，目的是了解水中鈾對活性炭的流速穿透情況。

量取一定體積的水樣，用硝酸酸化到pH小于2.0，鼓氮氣法驅除水中溶解的氣體，調節(jié)pH大約為4.0左右；讓水樣品溶液以不同的流速通過活性炭吸附柱(Φ35×175mm)，收集流出液，激光鈾分析儀測定過柱前后溶液中鈾的含量。

在不同流速條件下，活性炭對水中鈾的吸附率的測定實驗結果，見表1和圖1。

表1 不同流速條件下活性炭對鈾的吸附效果

圖1 不同流速下活性炭對水中鈾的吸附率

從實驗結果可以看出，流速為1.50～230 mL/min時，活性炭對水中鈾的吸附率為62.7%～92.6%范圍內，隨著流速的增大，吸附率逐漸降低。在流速為50mL/min時沒有穿透現象，吸附率接近90%。

2.2 不同水樣體積下活性炭對水中鈾的吸附實驗

本實驗進行了不同水樣體積下，活性炭對鈾的吸附效果實驗，目的是了解活性炭柱可以濃集水樣的體積量。

量取一定體積的水樣，用硝酸酸化到pH小于2.0，鼓氮氣法驅除水中溶解的氣體，調節(jié)pH大約為4.0左右；讓水樣品溶液以不同的流速通過活性炭吸附柱(Φ35×175mm)，收集流出液，激光鈾分析儀測定過柱前后溶液中鈾的含量。

首先將50L水樣完全通過活性炭柱，待溶液快流干時用燒杯在柱子下端收集流出液，用激光熒光法測定鈾含量。接下來將另外一桶50L繼續(xù)通過同一個活性炭柱子，如此反復，通過活性炭柱的水樣累計體積達到450L。在不同體積條件下，活性炭對水中鈾的吸附率的測定實驗結果，見表2和圖2。

表2 活性炭對不同體積水樣中鈾的吸附效果

圖2 不同體積的水樣通過活性炭柱子時鈾的吸附率

從實驗結果可以看出，通過活性炭柱子的水樣體積為50～450 L時，活性炭對水中鈾的吸附率為48.8%～90.7%范圍內，通過活性炭柱子的體積越大，吸附率越低，兩者呈負相關的趨勢。在水樣體積為200L時吸附率大于80%，這個結果遠遠高于其它的濃集分析方法。

2.3 活性炭中鈾的解吸實驗

采用6mol/L鹽酸解吸活性炭柱子中的鈾，收集解吸液，用激光鈾分析儀測定其中鈾的含量并計算出解吸率。實驗結果見表3和圖3。

表3 活性炭中鈾解吸的實驗結果

續(xù)表3

圖3 活性炭中鈾解吸的實驗結果

從實驗結果可以看出，采用6mol/L鹽酸解吸活性炭柱子中的鈾，解吸液通過活性炭柱的流速控制為0.5mL/min，開展了6mol/L鹽酸用量為800～1 700mL范圍的解吸效果，隨著解吸液用量增加，解吸率逐漸增大，當6mol/L鹽酸用量為1 700mL時，解吸率可以達到80%。有研究者開展了活性炭對鈾吸附性能的研究，2020年常蘭等人[4]進行了柚子果皮制成的活性炭對鈾的吸附性能研究，在250mL容量瓶總加入鈾溶液，調節(jié)pH后加入一定量的活性炭作為吸附劑，在一定溫度下恒溫振蕩后離心，取上清液進行分光光度測定鈾含量。吳素強[8]采用KOH活性化將椰殼活性炭改性，然后在容量瓶中加入20～100mg/L的鈾酰溶液，并投入0.1g活性炭，調節(jié)pH為5.0的條件下，水浴恒溫振蕩器中振蕩一定時間后，采用紫外/可見分光光度計測定鈾酰離子的濃度。結果發(fā)現改性后的活性炭對鈾的吸附容量為3.62mg/g，比改性前的吸附容量增加了0.61 mg/g。上述實驗是在小體積下活性炭對高濃度鈾的吸附性能研究，本文是基于實際環(huán)境水樣中鈾同位素監(jiān)測需求出發(fā)，實驗了幾十升至幾百升水樣的吸附效果。另一方面是考慮了活性炭的重復利用和核素的解吸分析需要，將吸附后的鈾如何從活性炭中解吸出來，與后續(xù)的分析測定的要求相銜接。

3 結 論

3.1 本文是基于實際環(huán)境水樣中總鈾及鈾同位素監(jiān)測需求出發(fā)，對50～450 L自來水中鈾的吸附和解析進行了實驗，活性炭對水中鈾的吸附率為48.8%～90.7%范圍內，當水體積為200L時吸附率大于80%，這個結果遠遠高于其它的濃集分析方法。水體積為200L時吸附率大于80%，這個結果遠遠高于沉淀濃集方法，且沉淀法和共沉淀法一般手續(xù)繁瑣冗長。流速為1.50～230 mL/min時，活性炭對水中鈾的吸附率為62.7%～92.6%范圍內，隨著流速的增大，吸附率逐漸降低，在流速為50mL/min時沒有穿透現象，吸附率接近90%。

3.2 采用6mol/L鹽酸可用于解吸活性炭柱子中的鈾，用量為1 700mL，流速控制為0.5mL/min時，解吸率可以達到80%，繼續(xù)擴大解吸時長可以提高解吸效果，但是考慮解吸時間過長，不便于實際操作，具有進一步改進和提升的地方，建議將活性炭在管式爐中灰化處理，用酸溶解灰殘渣，來代替鹽酸解吸的方法。

3.3 活性炭吸附法可以適合大體積水中鈾的預處理，經過適當的改進和完善后可以推廣應用于大體積水樣的現場采樣，可以達到節(jié)約樣品，減少樣品預處理程序的目的，具有廣闊的應用前景。