水热合成地聚合物材料及其吸附性能研究＊

陈益兰,刘承伟,唐 婕

(广西大学,广西南宁 530004)

水热合成地聚合物材料及其吸附性能研究＊

陈益兰,刘承伟,唐 婕

(广西大学,广西南宁 530004)

以偏高岭土和粉煤灰为原料,采用水热合成法制备偏高岭土 -粉煤灰基地聚合物材料,通过 XRD对材料进行了表征,研究吸附时间、初始浓度和溶液 pH对所得材料吸附性能的影响。结果表明,分别以氢氧化钠或水玻璃作为碱性催化剂,在 180℃、保温 12 h水热反应条件下制备的地聚合物材料对 Sr2+,Co2+,Cs+具有良好的吸附性能,但不同催化剂作用下所制得的材料对这 3种离子的吸附性能有所差异。吸附实验表明,该地聚合物材料在核废料处理等环境保护方面具有很好的应用价值。

地聚合物;水热合成法;氢氧化钠;核废料处理

核技术在广泛应用和快速发展的同时,它所产生的放射性废料也对环境造成了相当严重的污染,特别是 Sr2+,Co2+和 Cs+,须经几百年才能衰变至无害水平[1]。因此,必须选择性能良好的吸附材料,实现对放射性废料的安全处置。地聚合物是以偏高岭土、碱性催化剂为原料制备的一种新材料,其具有原料来源丰富、能耗低、强度高、吸附性强和耐高温耐酸等优点,已引起国内外研究者的广泛关注。笔者采用水热合成法制备偏高岭土 -粉煤灰基地聚合物材料,同时研究地聚合物材料对 Sr2+,Co2+和 Cs+吸附性能的影响,为该材料应用于重金属离子交换吸附、核废料固封等方面提供理论依据。

1 实验

1.1 原料

实验用的偏高岭土取自北海允矿高岭土有限公司,粉煤灰来源于田东水泥厂,两种原料化学组成见表 1;水玻璃:市售,模数为3.1,固含量为35.9%(质量分数);氢氧化钠,分析纯。

表1 偏高岭土和粉煤灰的化学组成 %

1.2 实验方法

1.2.1 偏高岭土 -粉煤灰基地聚合物材料的合成

以偏高岭土和粉煤灰为原料,分别采用氢氧化钠和水玻璃为碱性催化剂,混合均匀后置于水热反应装置中,180℃下保温 12 h。取出试样,真空抽滤,同时采用蒸馏水多次冲洗,最终得到粉末样品,分别记作样 1#,样 2#。采用 D/max-RB型 X射线衍射仪对样品进行表征。

1.2.2 Sr2+,Co2+和 Cs+吸附性能研究

用分析纯试剂硝酸锶、硝酸钴和氯化铯配制成50 mL 0.005 mol/L的 Sr2+,Co2+和 Cs+溶液,然后称取0.1 g地聚合物样品分别加入盛有3种溶液的三角瓶中,在恒温振荡器上振荡一定时间后离心分离,取上层清液,用电感耦合等离子体发射光谱仪分别测定 Sr2+,Co2+和 Cs+的含量,计算并分析其吸附效果。按下式计算离子吸附量:

式中:q为离子吸附量,mg/g;V为离子溶液体积, mL;ρ0为吸附前溶液中离子质量浓度,mg/L;ρ为吸附后溶液中离子质量浓度,mg/L;W为吸附剂质量,mg。

2 实验结果与分析

2.1 地聚合物材料的 XRD分析

图1 地聚合物XRD谱图

图 1为样品的XRD谱图。从图1可见,样1#和样2#在20～40°都出现了一个呈弥散状的峰包,表明发生了地聚合反应。样1#的主要晶相为石英,同时可以检索到A沸石的特征衍射峰;对样 2#分析可知主要发生了地聚合反应,结构主要为无定形态。J.Temuujin等[2]也在制备的高岭土基地聚合物材料中发现了类沸石相,经查证为 A沸石和 LTA沸石,并认为这种沸石化合物具有良好的吸附性能,对放射性元素和重金属离子吸附效果尤其明显。

2.2 地聚合物材料的吸附性能研究

2.2.1 吸附动力学曲线

图 2为 pH在 6.5～7.0、温度为 25℃时,地聚合物样品对 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附动力学曲线。由图 2可知,随着吸附时间的延长,吸附量均明显增加,样品对 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附具有良好的动力学性能。开始时吸附速率较快,120 h后吸附曲线趋于平稳,随着时间的延长吸附量略有增加,但增幅很小,7 d后吸附量基本不再变化。对此的理论解释为:在吸附初始阶段,3种离子主要被吸附在颗粒的外表面,吸附速度较快;随着吸附过程的进行,离子的浓度逐渐减小,同时吸附质向内部扩散,阻力逐渐增强,吸附速率受扩散控制,从而导致吸附速率变慢;吸附后期,吸附主要在材料内表面进行,推动力越来越小,所以吸附趋于饱和。

图 2 样品对 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附动力学曲线

2.2.2 吸附等温线

图 3为 pH在 6.5～7.0、温度为 25℃、恒温振荡 12 h条件下,地聚合物样品对 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附等温曲线。由图 3可知,随着 Sr2+,Co2+和Cs+浓度的增大,平衡吸附量明显增加。且初始浓度越大,吸附量越高。Freundlich吸附方程式为:

式中,ρ为平衡溶液质量浓度,mg/L;K和n均为经验常数。对上式两边取对数得:lgq=nlgρ+lgK,简化为:lgq=nlgρ+K′。

图 3 样品对 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附等温曲线

图 4为样品吸附量的对数和离子平衡浓度的关系。经最小二乘法回归处理,得到拟合公式如下:

可见样品对 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附过程符合Freundlich吸附基本方程。

图4 样品的吸附方程

2.2.3 pH对样品吸附性能的影响

图 5为恒温振荡 12 h条件下,pH对地聚合物样品吸附性能的影响曲线。由图 5可知,随着溶液pH的增大,样品的吸附量明显增加。尤其是中性和碱性环境更有利于吸附作用的进行。对 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附效果在酸性介质中明显低于中性和碱性介质。对此的理论解释为:当溶液中存在其他物质或离子时,吸附就会出现竞争现象。当 pH低时,溶液中的 H+浓度比较大,与 Sr2+,Co2+和 Cs+产生竞争吸附,导致对重金属离子的吸附效果较差。由此可以认为碱性环境更有利于地聚合物样品对Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附和阻滞其迁移。

图5 pH对样品吸附性能的影响曲线

3 结论

水热合成法制备的偏高岭土 -粉煤灰基地聚合物材料对 Sr2+,Co2+和 Cs+有良好的吸附性能;并且随着离子初始浓度和溶液 pH的增大,对这些离子的吸附量也增大。吸附等温线和动力学实验表明其吸附过程符合 Freundlich吸附理论。因此该材料可以用于核废料中 Sr2+,Co2+和 Cs+的吸附和固封,在环境保护方面具有良好的应用前景。

[1] Broden K,Olsson G.Final disposal possibility of radioactive waste components from ITER[J].Fusion Engineering and Design,2003, 69(4):694-695.

[2] Temuujin J,E W illiams R P,Riessen van A.Effect of mechanical activation of fly ash on the properties of geopolymer cured at ambient temperatrre[J].Journal of Materials Processing Technology, 2009,209:5276-5280.

Hydrothermal synthesis of geopolymer and study on adsorption performance thereof

Chen Yilan,Liu Chengwei,Tang Jie
(Guangxi University,Nanning530004,China)

Geopolymerswere preparad from metakaolin and fly ash by hydrothermalmethod.Productwas characterized by XRD.Effects of absorption time,initial concentration,and pH on absorption perfor mance of geopolymer were investigated.Experiment results showed that geopolymers,prepared from metakaolin and fly ash by hydrothmalmethod at 180℃curing for 12 h,with sodium hydroxide and sodium silicate as the alkaline activators respectively,had strong absorbability to Sr2+,Co2+,and Cs+,and absorbability of geopolymers depended on activators.Results indicated:geopolymers can possess good application value in nuclearwaste disposal and other terms of environmental protection.

geopolymer;hydrother malmethod;sodium hydroxide;nuclearwaste disposal

TQ131.12

A

1006-4990(2010)11-0017-03

广西自然科学基金项目(2010GXNSFC013001)。

2010-05-25

陈益兰(1957— ),女,教授,研究方向为材料与工程,已公开发表论文30多篇。

联系方式:chenyilan0008@163.com