几种阴离子对土壤中铀的浸取的影响

冯孝杰 祁芳芳 秦 冰 贾梦洋 李永青 王定娜 张 楠 夏传琴

1（后勤工程学院国防建设规划与环境工程系 重庆 401311）

2（四川大学化学学院 成都 610064）

几种阴离子对土壤中铀的浸取的影响

冯孝杰1祁芳芳2秦 冰1贾梦洋2李永青1王定娜2张 楠1夏传琴2

1（后勤工程学院国防建设规划与环境工程系 重庆 401311）

2（四川大学化学学院 成都 610064）

核工业的发展对环境造成了一定程度的铀污染，植物修复作为修复铀污染土壤的一种经济环保的方法得到广泛关注，而铀在土壤中的生物有效性是制约这一技术的关键。本文运用土壤浸取方法，研究了土壤中常见的无机阴离子对土壤中铀的解析的影响，发现CO32−对铀的浸取效率在一定范围随其浓度而上升，解析率可高达85%−90%；SO42−的浓度从5 g/L增加到40 g/L时，铀的解析率从41%增加到53%；铀的解析率与盐析剂NaCl的浓度没有相关性；土壤质量为5 g时，解析剂体积在20 mL达到解析平衡；在浸取前3 d随浸取时间增加铀的解析率逐渐增大，105 h达到解析平衡，平衡解析率可达90%。本实验的开展有利于了解铀在土壤中的吸附-解析机制，对提高土壤中铀的生物有效性具有一定参考价值，为提高植物修复效率奠定了一定的理论基础。

铀，解析，阴离子，植物修复

随着传统能源的枯竭，核能作为一种安全、清洁的能源被大规模应用。而作为核能的主要燃料，铀矿在开采及冶炼过程中，含放射性核素的废水及废弃物的不适当处理会导致铀散布到土壤表层，或经风蚀进入空气、通过淋洗进入地下水，对环境造成一定程度污染。铀由于其放射性毒性及重金属毒性也会对人和动物的健康构成潜在威胁[1]。因此铀污染的治理被广泛关注。对于铀污染土壤的治理，传统方法有物理修复和化学修复，然而这两种方法成本较高，容易造成二次污染，对土壤生态环境破坏较大，不适合大面积推广使用。近几十年来，植物修复以其成本低廉、原位修复、绿色环保等优点成为研究热点。

多种因素会影响植物修复，如植物种类、土壤理化性质、植物根际环境、土壤pH值等。其中植物的选择是植物修复技术的关键。但目前已找到的重金属超积累植物大多植株矮小、生长缓慢，不能满足大面积推广的需求[2]，且尚未找到铀的超积累植物。因此，人们试图通过向土壤中施加一些改良剂来提高土壤中铀的生物利用率。土壤中铀的生物利用率是植物修复铀污染土壤的又一个重要影响因素[3,4]。铀在土壤中通常以可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机态等形态存在。其中易被植物吸收利用的只有可交换态及部分碳酸盐结合态[5]。研究表明，向土壤中施加某些有机酸或碳酸盐改良剂能有效提高铀的生物利用率，并可促进铀在植物体内的转移[6−8]。土壤固相中的铀可与土壤中某些无机阴离子(如CO32−、OH−、SO42−等)形成可溶性络合离子，从而影响铀在环境中的迁移和作物的吸收[9,10]。因此，开展无机阴离子对土壤中铀的浸取影响的研究，将有利于了解铀在土壤中的吸附-解析机制，对植物修复铀污染土壤的研究具有重要的指导意义，从而为制定铀污染土壤的治理措施提供理论依据。

本实验选取(NH4)2SO4、(NH4)2CO3、NH4NO3、H2SO4、NaCl作为浸取剂来研究SO42−、CO32−、Cl−、NO3−等离子对铀的浸取行为的影响，为寻找提高植物修复铀污染土壤效率的途径开展一些理论探索。

1 实验部分

1.1仪器与试剂

电感耦合等离子体-质谱(ICP-MS，美国Perkin Elmer公司，Elan/DRC-e)、数字控温电热板(青岛暖巢尔电子科技有限公司)、LXJ-IIB低速大容量多管离心机(深圳江河科学有限公司)、SHZ-82恒温振荡器(江苏金坛医疗仪器厂)；(NH4)2SO4、(NH4)2CO3、NH4NO3、H2SO4、NaCl、Na2CO3、浓硝酸、氢氟酸、高氯酸均为分析纯，水为二次去离子水。

1.2试验材料

1.3实验方法

1.3.1 土壤预处理及土壤的消解

取出含铀土壤，充分混匀，置于实验室自然风干，研磨，过2 mm筛，贮于广口瓶中备用。称取1 g上述含铀土壤，依次在马弗炉中300°C碳化2 h、700°C灰化6 h。然后转移至50 mL烧杯中，以10 mL浓硝酸浸泡过夜，然后加热至快干，再依次加入1.5mL氢氟酸、3 mL高氯酸，加热至近干。然后用5 mol·L−1硝酸溶解，过滤，定容至25 mL，用ICP-MS测铀的含量。

1.3.2 土壤浸取实验

称取5g上述含铀土壤，加入一定体积的解析液，在恒温震荡水槽中震荡一定时间后，以塑料离心管离心，将上清液以10 mL浓硝酸浸泡2 h以上，加入5 mL H2O2加热至近干，以2%的硝酸溶解并定容至25 mL，用ICP-MS测铀的浓度。

2 结果与讨论

分别考察了解析剂的种类、解析剂的浓度、盐析剂的浓度、解析时间、解析液体积对土壤中铀的解析的影响。

2.1解析剂种类的影响

解析液的组成见表1。结果表明(图1)，铀的解析率顺序依次为32 g·L−1NaCl+11 g·L−1Na2CO3≥30 g·L−1(NH4)2SO4+6 g·L−1(NH4)2CO3＞去离子水＞16 g·L−1NH4NO3+1 g·L−1H2SO4，与解析液的pH有关，即解析液pH越高，铀的解析率越高。可能是由于CO32−在pH为8−9时与UO22+形成了更稳定的络合物[7,11]。因此选取(NH4)2SO4+(NH4)2CO3和NaCl+Na2CO3作为解析剂开展进一步实验。

三是提升规模种植基地的标准，提高中药材品质。因地制宜，将中药材的种植生产向优势区域相对集中，实行连片种植，形成主导方向明确、专业化水平较高的中药材种植区和种植带。形成规模种植为主、分散种植为辅的中药材种植模式，提高集约化水平。重点扶持中药材种植合作社和种植大户，通过他们带动全县中药材的种植。

表1 解析液的组成及pHTable1 Composition and pH of strippant.

图1 不同螯合剂对铀的解析的影响Fig.1 Influence of different chelate on U desorption.

2.2解析剂浓度的影响

分别考察了两组解析剂的浓度对铀的解析率的影响。(1) 对于(NH4)2SO4+(NH4)2CO3：固定(NH4)2SO4的浓度，改变(NH4)2CO3的浓度，铀的解析率随着(NH4)2CO3浓度增加而上升，解析率最高可达到68%(图2a)；固定(NH4)2CO3的浓度，改变(NH4)2SO4的浓度，对铀的解析率有影响(图2b)。(NH4)2SO4的浓度从5 g·L−1增加到40 g·L−1时，铀的解析率从41%增加到53%；(2) 对于NaCl+Na2CO3：固定NaCl的浓度，改变Na2CO3的浓度，铀的解析率随着Na2CO3浓度增加而上升，最高解析率达到69%(图2c)。由图2可以推断，CO32−和SO42−是影响铀的解析的主要因素[12]，且CO32−对铀解析的影响大于SO42−。

图2 铀解析率的变化 (a) 固定(NH4)2SO4浓度(5 g·L−1)，改变(NH4)2CO3浓度；(b) 固定(NH4)2CO3浓度(5 g·L−1)，改变(NH4)2SO4浓度；(c) 固定NaCl浓度(10 g·L−1)，改变Na2CO3浓度Fig.2 Influence of (NH4)2CO3 content on U desorption, (NH4)2SO4 content was 5 g·L−1 (a); influence of (NH4)2SO4 content on U desorption, (NH4)2CO3 content was 5 g·L−1 (b); influence of Na2CO3 content on U desorption, NaCl content was 10 g·L−1 (c).

2.3解析时间的影响

选取§2.2中对铀有较好浸取效果的解析剂组合：5 g·L−1(NH4)2SO4+40 g·L−1(NH4)2CO3，研究了解析时对铀的解析率的影响。由图3，铀的解析率随时间增加而上升，105 h达到解析平衡(90%)。

2.4盐析剂浓度的影响

考察了盐析剂NaCl的浓度对两组解析剂解析铀的影响。(1) 对于(NH4)2SO4+(NH4)2CO3：固定(NH4)2SO4的浓度为15 g·L−1，(NH4)2CO3的浓度为5 g·L−1，改变NaCl的浓度(图4a)，发现NaCl的浓度对铀的解析率没有影响；(2) 对于Na2CO3：固定Na2CO3的浓度为10 g·L−1，改变NaCl的浓度(图4b)，发现铀的解析率未发生改变。由图4，铀的解析率与Cl−的浓度没有相关性。

图3 解析时间对铀解析的影响Fig.3 Influence of desorption time on U desorption.

图4 NaCl浓度变化对铀解析率的影响 (a) 固定(NH4)2SO4浓度(15 g·L−1)、(NH4)2CO3浓度(5 g·L−1)，(b) 固定Na2CO3浓度(10 g·L−1)Fig.4 Influence of NaCl content on U desorption, (NH4)2SO4 content was 15 g·L−1, (NH4)2CO3 content was 5 g·L−1 (a) and Na2CO3 content was 10 g·L−1 (b).

2.5解析剂体积的影响

固定其他解析条件，取5 g土壤，改变解析剂体积，选取§2.2中对铀浸取效果较好的解析剂组合：5 g·L−1(NH4)2SO4+40 g·L−1(NH4)2CO3，研究了解析剂体积对铀的浸取率的影响。由图5，发现铀的解析率随着解析剂体积的增加而上升，当解析剂的体积达到20 mL时，铀的解析达到平衡(90%)。

图5 解析剂体积对铀解析的影响Fig.5 Influence of strippant volume on U desorption.

3 结语

(1) 通过实验发现CO32−及SO42−对铀的解析效果较好，其中CO32−的效果最好，这是因为CO32−与UO22+结合能力较强；进行充分解析后，CO32−对铀的浸取率可高达85%−90%；而Cl−对铀的解析几乎没有影响；

(2) 解析剂的体积也会影响铀的浸取率，当土壤质量固定为5g时，随着解析剂体积的增加，铀的解析率逐渐增大，当解析剂体积增加到20 mL时达到解析平衡。解析时间的影响也有类似规律，并在105 h达到解析平衡(90%)。

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CLCTL12

Influence of several anions on uranium desorption in U-contaminated soil

FENG Xiaojie1QI Fangfang2QIN Bing1JIA Mengyang2LI Yongqing1WANG Dingna2ZHANG Nan1XIA Chuanqin2

1(Department of Military Architecture Planning & Environmental Engineering, Logistic Engineering University, Chongqing 401311, China)2(College of Chemistry, Sichuan University, Chengdu 610064, China)

Background:The development of the nuclear industry caused uranium contamination to the environment. As an economical and environmental friendly technique to repair uranium contaminated soils, phytoremediation has attracted much attention in recent years, and the key to this technology is uranium bioavailability in soils. Purpose: The present work investigates the impact of several inorganic anions in soils on uranium desorption from the uranium contaminated soils. Methods: Leaching test and inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) was used in this study. Results: It was found that uranium desorption rate increased withconcentration, and the equilibrium was obtained with resolution rate of 85%−90%. Uranium desorption rate could increase from 41%−53% whencontent was in the range of 5−40 g·L−1. While Cl−had no effect on uranium desorption. Uranium desorption obtained equilibrium at a volume of 20 mL for strippant with 5-g uranium contaminated soil. In the former 3 days, uranium desorption rate increased rapidly, and finally obtained equilibrium at 105-h with a desorption rate of 90%. Conclusions: First,ndhave better effect on uranium desorption compared to other anions. Effect ofwas greater thandue to a greater binding ability ofto U(VI), while Cl−had little effect. Second, the solvent volume and leaching time also impact uranium leaching yield. This study would be helpful to increase the knowledge of improving uranium bioavailability in the soil, which also laid a theoretical foundation to improve the efficiency of phytoremediation.

Uranium, Desorption, Anions, Phytoremediation

TL12

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.090206

国家自然科学基金项目(10776021)资助

冯孝杰，男，1970年出生，2005年于西南大学获土壤学博士学位，从事环境管理、环境生态、污染防治研究工作

夏传琴，E-mail: xiachqin@163.com

2013-06-25，

2013-08-29