毛文静,刘峙嵘
(东华理工大学 核工程与地球物理学院,江西 南昌 330013)
20世纪以来,随着核电事业的不断发展,铀资源需求迅速增加。全世界已探明铀资源仅有459万t,仅可供全世界现有规模核电站使用六七十年[1]。世界核电大国尤其是美国、法国、日本等都纷纷加大了寻找铀资源的力度[2]。海水中铀的质量浓度约为0.33mg/L,其总量达45亿t,如果可以从海水中有效提取铀,则可以为核电工业的发展带来巨大希望[3-4],因此,从海水中提取铀受到广泛关注[5]。
海水中,铀主要以[UO2(CO3)3]4-形式存在,其他杂离子存在形式十分复杂[6],因此选择的吸附材料需要具有以下条件:1)对铀酰离子的吸附选择性好;2)吸附平衡量大;3)吸附速度快;4)机械性、化学稳定性好;5)可方便快速脱附和再生;6)制备成本低。
目前,用于吸附铀的吸附剂主要有有机和无机两大类。其中:有机类吸附材料主要包括偕胺肟类[7]、磷酸类[8]、氨基酸类等;无机类主要包括水合氧化钛(HTO)、氢氧化铝、锰的氧化物等。
本文介绍了不同材料用于从海水中吸附铀酰离子的吸附性能、吸附过程中的影响因素及材料存在的优缺点等。
近年来,偕胺肟类吸附材料以其优良的选择吸附性备受关注,成为从海水中提铀研究中最常用的材料。偕胺肟类吸附材料主要依靠C=N双键上的成键电子及C=N中N原子上的孤对电子与铀酰离子的螫合作用进行吸附[9]。目前,国内外偕胺肟类吸附材料的合成路线基本一致:首先合成含有氰基(-C=N)的化合物,然后用羟胺(NH2OH)将氰基转化为偕胺肟基团,再将这些含偕胺肟基团的化合物制备成树脂或纤维用于海水提铀。
Anyun Zhang等[10]利用辐射嫁接技术在聚丙烯纤维上嫁接丙烯腈和甲基丙酸烯,得到多孔状吸附剂,研究表明:在pH<1时,此吸附剂对铀基本没有吸附效果;当2<pH<6时,吸附量随pH升高快速增加;当pH>6,尤其是pH>8.5时,基本不吸附。吴航等[11]研究了不同合成条件对改性纤维吸附铀的影响,结果表明,延长纤维偕胺肟化时间,或将含偕胺肟基团的纤维经碱水解24h,都将增大吸附量,且纤维对铀的吸附量随吸附时间延长而增加,吸附48h时达到饱和,其饱和吸附量为2.6mg/g。卢丹等[12]制备了含偕胺肟基团的高分子螯合电极并用于从海水中提取铀。螯合电极上功能高分子膜对铀的饱和吸附量为5.6mg/g,采用电化学原理脱附时,操作简单,可连续化、清洁化进行,使海水提铀效率大大提高。饶林峰[13]采用辐射嫁接技术将偕胺肟官能团嫁接到聚乙烯无纺布上,制备出的吸附材料在海水提铀试验中吸附30d,取得了1.5g/kg的吸附效果,但此法的费用约为市场现货价格的2~3倍,过于昂贵,不适宜大规模应用。Xiyang Liu等[14]利用预辐射嫁接技术在非纺织布料上嫁接聚丙烯腈,在pH=7.5、温度从10℃上升到30℃、同时铀的初始质量浓度从3μg/L上升到50μg/L时,改性后的吸附材料对铀的吸附曲线呈近线性变化。Xing Zhe等[15]在室温下,采用剂量率为2.2kGy/h的60Co放射源照射聚乙烯纤维,再将其与丙烯腈和丙烯酸共聚,最后用盐酸羟胺肟化得到超高分子量聚乙烯纤维。材料在海水中浸泡42d后,对铀的吸附量为 2.3mg/g。Joanna Gorka等[16]采用软模板法合成介孔碳并在其孔道内和表面上嫁接聚丙烯腈后用于从海水中提取铀。结果表明,用氧化活性碳作为前驱体,在低强度超声条件下合成的吸附材料对铀的吸附效果最好,最大吸附量为4.62mg/g。
国内外大多数学者都采用化学法和辐射嫁接法制备偕胺肟类吸附材料,这些偕胺肟类吸附材料对铀酰离子都有很好的选择性、高的吸附容量和吸附速率,同时有较好的柔软性,易于大量生产,对于从海水中提取铀有广阔的应用前景。
磷酸基团中含有的羟基(-OH)和P=O对铀酰离子具有很强的络合作用,且羟基提供H+可以催化[UO2(CO3)3]4-的解络作用[17],从而增强磷酸基团对铀酰离子的吸附作用。
Sadananda Das等[18]研究合成了磷酸功能化的聚合纤维薄膜,采用UV(紫外)光或电子束照射聚乙烯纤维产生活性位点用于嫁接磷酸类功能基团。当有Fe(Ⅲ),V(Ⅳ),Cu(Ⅱ)和U(Ⅵ)存在时,材料对铀有较高的选择性,并且改性后可采用一步法合成,步骤相对简化,所用的单体材料无毒无挥发性,有利环保,且可循环使用。Michaёl Carboni等[19]以介孔碳材料作为基底分别嫁接偕胺肟基、羧基、磷酸基官能团后获得吸附材料,并用于从酸性溶液和模拟海水中吸附铀。结果表明,用磷酸基团改性后的介孔碳吸附材料在pH=4条件下对铀的最大吸附量可达97mg/g,在模拟海水(pH=8.2)环境下最大吸附量为67mg/g。Fangting Chi等[20]采用辐射嫁接法将磷酸官能团嫁接到聚乙烯乙醇纤维上得到改性吸附材料,其吸附热力学研究表明,该材料对铀的吸附过程中放热,在室温、pH=4.5条件下,吸附平衡时间为30min,对铀酰离子具有较好的选择吸附性,最大吸附量为32.1 mg/g。Juan L.Vivero-Escoto等[21]在介孔 Si上分别嫁接磷酸基、偕胺肟基、酰亚胺和羧酸盐官能团,其中采用磷酸基改性后的介孔硅材料(MSPH-Ⅲ)对铀的吸附性符合Langmuir模型,按此模型推知,在一般水溶液中对铀的最大吸附量可达185.2mg/g,在模拟海水中对铀的最大吸附容量为66.7mg/g。以介孔硅作基底得到的改性材料具有较大的比表面积,同时在脱附过程中可用0.1 mol/L的HCl溶液直接洗脱,步骤简便,有望成为一种新型的海水提铀材料。
将膦酸基嫁接到合适的基底(如聚乙烯纤维、介孔碳、介孔硅等)上,可以提高材料的物理和化学稳定性,同时增大材料的比表面积,进而增大材料的吸附性。磷酸类吸附材料的吸附平衡时间短,可缩短材料在海水中的浸泡时间,降低材料的损耗,增加其使用次数。且此类材料采用的单体无毒无害,具有清洁环保的优点。
董庆珍等[22]以三乙烯四胺、氯乙酸、无水碳酸钠和环氧氯丙烷为原料,采用超声法合成氨基酸型螯合树脂。该树脂在pH=5、温度为50℃、吸附时间为2h、铀的初始质量浓度为100μg/mL条件下,对铀的吸附率可达85%。
单宁酸是一种比较常见且便宜的材料,其本身含有大量羟基,对铀酰离子具有很强的亲和力。Akira Nakajima等[23]分别用表氯醇和三聚氰酰氯修饰固定在琼脂糖胶体表面的单宁酸,得到对铀酰离子有很好选择吸附性的改性吸附材料。用表氯醇改性后的材料对铀酰离子的最大吸附量为1.85mg/g,而用三聚氰酰氯改性后的材料对铀酰离子的最大吸附量为1.062mg/g。将单宁酸固定在本身含有大量活性氨基(如氨基聚苯乙烯)的基底上制成的复合吸附材料对铀酰离子具有很好的选择性和快的吸附速率[24],在有 Mn2+,Co2+,Ni2+,Cu2+,Zn2+,Cd2+和存在时,可以选择性吸附铀酰离子且可以将自然海水中90%的铀酰离子吸附。在pH=6、吸附时间4h条件下,对铀酰离子的吸附量为150mg/g。
目前,国内外主要是从宏观角度研究有机材料的吸附行为,而在分子水平上阐明吸附材料与铀的配位模式、吸附机制和吸附动力学也是至关重要的,只有将吸附机理研究清楚,才可以从本质上提高对铀酰离子的吸附效率。与此同时,还需研发其他对铀酰离子具有更高选择吸附性的配体,开发新的吸附材料,提高其稳定性、机械强度和循环使用次数。
HTO的制备方法[25-26]主要有中和法(常温和加温)、均相沉淀法及热水解法等,不同方法制备的HTO在吸附性能上各有差别,同时,合成过程中对材料的处理方式不同也会影响吸附性能。
HTO主要依靠其表面的羟基与铀酰离子之间的络合作用发生吸附[27-28]。Fujiki.Y等[29]研究了对 TiO2表面进行热处理后用于吸附铀酰离子。结果表明,热处理后的TiO2对铀的吸附能力有所提高。当处理温度为300℃时,TiO2由无定型态转变成锐钛矿态,表面羟基含量减少,吸附能力下降,说明HTO主要靠表面的羟基与铀酰离子发生吸附作用。Guo Zhijun等[30]研究了pH和富里酸对TiO2吸附铀酰离子的影响。当溶液中没有富里酸时,pH从3增大到6,吸附量逐渐增加;当溶液中加入富里酸且pH<6时,吸附量随pH增大而增加;但当pH>7时,吸附量反而降低。
虽然钛吸附材料对铀酰离子吸附量较高,且机械强度较好,但在海水提铀过程中,其吸附量易受海水温度变化的影响,在使用过程中受损严重,且制备条件不易控制,故限制了其在海水提铀中的应用。
铝类吸附剂因其来源广泛、价格低廉而广受重视。铝类吸附剂的表面性质对铀酰离子的吸附性能基本与HTO类似。
E.R.Sylwester等[31]研究了UO2+2在无定型SiO2、Al2O3和蒙脱土表面的吸附行为,主要应用XAFS和XANES技术分析了络合吸附原理,研究表明,这3种材料都是由两个轴向的氧离子与铀酰离子结合。在低pH条件下,蒙脱土主要是通过离子交换作用吸附铀酰离子;pH接近中性且有竞争阳离子存在时,无定型SiO2和Al2O3主要通过多核表面络合吸附铀酰离子。Yubing Sun等[32]研究了纳米多孔Al和非纳米多孔Al对U(Ⅵ)的吸附和脱附行为。纳米多孔Al主要发生内球表面络合,而非多孔纳米Al主要发生外球表面络合。纳米多孔Al吸附U(Ⅵ)后变成絮状的三水铝矿,其吸附与溶液pH有关而与离子强度无关。脱附过程中,当NaHCO3的浓度为0.01mol/L时,非多孔纳米Al吸附的铀可以100%被脱附,而多孔纳米Al吸附的铀只有约5%能够被脱附。Duygu Totur等[33]研究了用邻苯二酚紫罗兰修饰Al后用于海水提铀,吸附和脱附受pH、Al的掺杂量、配合基的量、流速和洗脱浓度影响,在pH=7,表面活性剂(十二烷基硫酸钠)、配合基(邻苯二酚紫罗兰)、Al的加入量分别为20mg/g、40~50mg/g、1g/g条件下,材料对铀酰离子的吸附量 为 0.92mmol/g,吸 附 后 用 0.25mol/L 的HNO3在高温下可以脱附。
铝类吸附剂相对而言价格低廉易制得,但其在海水中,尤其在偏碱性环境中,很容易形成絮状物而流失,因此其应用受到很大限制。
锰的氧化物材料表面带负电荷,对金属离子(Pb2+、Cu2+、Cd2+、Zn2+、UO2+2等)有较高的吸附性。但纯的锰氧化物材料用于吸附铀酰离子并不具有好的物理和化学稳定性,且由于其体积小而不易将其从溶液中分离出来。为了克服这些缺点,需要对其进行表面修饰。
Runping Han等[34]在沸石上嫁接氧化锰得到改性吸附材料,并研究了此材料的吸附等温线及pH对吸附效果的影响。结果表明:吸附反应符合Langmuir和Redliche Peterson等温模型,由此模型推知,在室温、pH=4条件下,材料对铀的最大吸附量为15.1mg/g。Zou Weihua等[35]在沸石上嫁接氧化锰得到改性吸附材料,并考察了水流速度、铀的初始浓度、初始pH、盐和杂质离子的加入等对吸附性能的影响。结果表明:吸附效率随铀的初始浓度增大而增大,但随水流速率增大而降低;当有盐分和杂质离子加入后,穿透时间变短;当pH=6.3时,材料达到最大吸附量;材料脱附后可循环使用。
改性后的锰氧化物具有微孔结构、高的表面积、高吸附容量和高的机械强度等优点,用于从海水中吸附铀酰离子有较好的应用前景。
一些天然黏土、岩石和胶体等都对铀有一定吸附性能,尤其是某些天然黏土因本身具有独特的层状结构而具有极好的吸附和离子交换性能。M.S.Olivelli等[36]制备的蒙脱土与真菌生物复合改性材料表面带负电荷,对铀酰离子的吸附效果较好,铀的吸附主要靠表面的真菌生物,但蒙脱土插层间对铀也有一定的吸附能力。这种材料有可能在提铀过程中发挥重要作用。
虽然无机类吸附材料具有吸附速率快、易洗脱、可循环使用等优点,但也存在许多不足之处,如制备过程中温度不易控制,易与其他盐离子形成络合离子,对铀酰离子的吸附选择性不高等。寻找高选择性、高吸附容量的无机吸附材料是目前有待解决的课题之一。
一些有机无机复合高分子材料也可用于从海水中提取铀。
Yingguo Zhao等[37]研究制备的氧化石墨烯/偕胺肟化磁性混合材料对铀酰离子有较好的吸附性,吸附过程中,离子强度的影响不大,pH有较大影响。材料对铀的吸附模型与Langmuir模型吻合,当pH=5、温度为25℃时,混合材料对铀的最大吸附量为1.197mmol/g。吸附后可利用外部磁场将吸附材料从水溶液中分离出来,分离过程简单,分离成本较低。Manolis.J.Manos等[38]用Sn(1.9mmol)、Mn(1.1mmol)、K2S(2mmol)、S(16 mmol)在500℃下进行固化反应,或用Sn(60mmol)、Mn(30mmol)、K2CO3(30mmol)、S(180mmol)在200 ℃下进行水热反应,制得 K2xMnxSn3-xS6·yH2O(x=0.5~0.95;y=2~5)(KMS-1)离子交换材料,用于Sr离子的提取效果极佳[39],用于交换离子,可以从海水中提取铀。KMS-1对铀的最大吸附量可达380mg/g,循环使用6次后仍有120~190mg/g。
另外一些可循环再生的生物材料(如细菌类、真菌类、植物类等)也可用于从海水提取铀,但目前这方面的研究和报道还太少。
随着陆地资源的减少,世界各国都转向开发丰富的海洋资源。从海水中提取铀将是未来的主要研究方向。海水中盐分含量极高,容易造成吸附材料的损耗;海水含有大量其他金属杂离子,易与铀形成吸附竞争,所以对吸附材料的选择性要求极其苛刻。为使海水提铀技术更具经济竞争力和吸引力,给出以下几点建议:1)进一步优化吸附材料的制备过程,提高材料的吸附容量、吸附速率和物理化学稳定性;2)以往研究的配体大多是基于络合带正电的铀酰离子进行阴离子吸附,今后可以研发直接吸附[UO2(CO3)3]4-阴离子的新配体;3)采用更加有效的嫁接官能团新技术,提高配体在基底材料上的结合密度和结合强度;4)研究对铀酰离子具有高选择性的新配体,提高吸附材料的选择性;5)研究以纳米材料作为嫁接基底制备新的吸附材料;6)现有的解吸过程容易造成吸附材料的流失和恶化,需要进一步开发新型解吸系统以改善解吸效率,降低材料的损耗。
海水提铀是一个庞大而又复杂的系统,从长远看,极具开发前景,但还需做更多工作。
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