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纳米级零价铁处理含铀废水初步实验研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-08-17  浏览次数:1261
核心提示:放射性废水的处理是采用相关技术将放射性核素从废水中分离出来.使其达到安全排放.从而减少对环境的辐射危害。常用的放射性废水的核素分离技术主要有离子交换、吸附剂吸附、溶剂萃取等,其中应用最为广泛的是离子交换工艺。
 放射性废水的处理是采用相关技术将放射性核素从废水中分离出来.使其达到安全排放.从而减少对环境的辐射危害。常用的放射性废水的核素分离技术主要有离子交换、吸附剂吸附、溶剂萃取等,其中应用最为广泛的是离子交换工艺。近年来,随着处理技术的不断进步,在放射性废水处理中陆续开发出了一些新技术,如膜法、微生物法、植物修复法、零价铁处理法等。其中零价铁处理法由于具有处理效率高、成本低廉、工艺程序简单、可长时间自动运行等诸多优点,在含铀废水处理领域受到了人们的日益重视。而纳米级零价铁因具有更大的比表面积、更高的反应活性,受到水处理研究者的推崇。Wismut公司和德国褐煤蜡技术公司为矿坑水就地去污开发了纳米级零价铁和褐煤组成的反应材料,试验证明其对去除其中的重金属、放射性核素和硝基芳香族化合物非常有效。

笔者研究了纳米级零价铁对含铀(Ⅵ)废水中铀的去除效果,考察了纳米级零价铁投加量、pH及竞争离子等因素对处理效果的影响,以期为使用该方法工业化处理含铀废水提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

仪器:MUA型微量铀分析仪,北京羽纶科技有限责任公司;pHS-3A型数字酸度计,厦门第二分析仪器厂:78HW-1型恒温加热磁力搅拌器,杭州仪表电机有限公司。

试剂:纳米级零价铁,自制。

实验用水:含铀(Ⅵ)模拟废水,铀(Ⅵ)质量浓度为10 mg/L。

1.2实验方法

称取一定量的纳米铁,置于含铀(Ⅵ)模拟废水中,在不同的反应条件(纳米铁投加量、pH、反应温度、杂质离子等)下进行实验,反应一定时间后,测定反应后溶液中的铀(Ⅵ)质量浓度,计算铀去除率。

1.3分析方法

铀浓度采用MUA型微量铀分析仪进行测定。

2结果与讨论

2.1 纳米铁投加量对处理效果的影响

在200 mL初始质量浓度为10 mg/L的含铀(Ⅵ)模拟废水中投加不同质量的纳米铁,在反应温度为30℃、pH=5的条件下,考察纳米铁投加量对处理效果的影响,结果见图1。

 


 

由图1可知,在最初的10 min内,随着纳米铁加入量的增加,反应速率增大,这是因为随着纳米铁投加量的增大,溶液中纳米铁的表面积亦增大,吸附和反应活性位增多,因而反应速率加快。但是当纳米铁投加量>4.0 g(20 g/L)时,60 min后铀去除率没有较大变化,均约为990/0。为了能使后续实验中的零价铁保持过量状态,确定纳米铁投加质量浓度为30.0 g/L。

2.2 废水初始pH对处理效果的影响

在含铀(Ⅵ)废水初始质量浓度为10 mg/L,纳米铁投加质量浓度为30.0 g/L,反应时间为60 min,反应温度为30℃的条件下,考察废水初始pH对处理效果的影响,结果见图2。

 


 

由图2可以看出,当pH为3~5时,纳米铁对铀的去除率较高,这说明弱酸性条件有利于纳米铁对铀(Ⅵ)的还原。这是由于当pH为3—5时,废水中的铀主要以铀(Ⅵ)存在,而纳米铁去除铀(Ⅵ)的主要机理为纳米铁把铀(Ⅵ)还原为铀(Ⅳ),其反应为[4]:

Feo+ U022+—>FeZ++ U02

当pH>7时,铀去除率很低,一方面是由于此条件下铀的存在形态不利于反应的进行;另一方面是由于在碱性条件下,纳米铁表面易氧化生成氢氧化铁或碳酸铁钝化层,使纳米铁的反应活性降低,不利于还原反应的进行。

2.3温度对处理效果的影响

在含铀(Ⅵ)废水初始质量浓度为10 mg/L,pH=5,纳米铁投加质量浓度为30.0 g/L,反应时间为60 min的条件下.考察温度对处理效果的影响,结果见图3。

 


 

由图3可以看出,随着溶液温度的升高,纳米铁对铀的去除率没有明显变化,铀去除率均约为99%.根据这种现象可以推测,反应不受溶液温度的影响,在实际处理过程中可以不考虑溶液的温度。

2.4杂质离子对处理效果的影响

在pH=5,纳米铁投加质量浓度为30.0 g/L,温度为室温,反应时间为60 min的条件下,在200 mL初始质量浓度为10 mg/L的含铀(Ⅵ)模拟废水中选择加入10 mmol/L的杂质离子,考察其对处理效果的影响,结果见表1。

 


 

由表1可以看出,阳离子中.Na+对铀去除率没有影响,而Mg2+、Ca2+和Al3+的存在可使铀的去除率有细微的提高。这可能是由于Mg2+、Ca2+、Al3+产生的少量的氢氧化物对铀有一定的吸附,导致铀去除率有一定的增大。

阴离子中.Cl-对铀去除率基本没有影响,S042-在一定程度上抑制了铀的去除,而H2P04一、C032-则显著影响铀的去除,导致铀去除率从99%降为89%左右。这可能与离子竞争有关,Cl-是一价离子,对U022+竞争能力很弱;S042 -、C032 -是二价离子,而H2P04一电离后以三价离子存在,其具有较强的离子竞争能力,因此会显著影响铀的去除。

2.5 纳米铁与普通铁对铀(Ⅵ)的还原效果比较

在相同的实验条件下,分别取2.0 g普通铁及纳米铁,使其分别与初始质量浓度为10 mg/L的模拟含铀(Ⅵ)废水于pH=5下进行反应,对测得的实验数据按一级反应动力学规律拟合,求得反应速率常数。纳米铁与普通铁对铀(Ⅵ)还原效果的比较结果见表2。

 


 

由表2可见,在相同条件下,纳米铁对铀(Ⅵ)的去除率明显高于普通铁粉,纳米铁还原铀(Ⅵ)的速率常数比普通铁提高了约15倍。这主要是因为纳米铁的比表面积远远高于普通铁粉,在溶液中易形成悬浮的胶体,与U022+反应更充分。

3 结论

(l)pH对铀(Ⅵ)去除率影响显著,弱酸性条件有利于铀(Ⅵ)的去除;碱性条件下,因纳米铁表面发生钝化而使铀(Ⅵ)去除率大大降低。

(2)常见的阳离子对铀(Ⅵ)去除率没有明显影响,但二价阴离子S042-、C032-对铀(Ⅵ)去除率影响显著。

(3)在相同条件下,纳米铁对铀(Ⅵ)的去除效果明显优于普通铁粉,还原速率常数比普通铁粉提高了15倍。

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