新疆沸石对放射性核素锶和铯的吸附性能研究

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新疆沸石对放射性核素锶和铯的吸附性能研究

王哲1,2， 李海峰3

(1.西南科技大学 核废物与环境安全国防重点学科实验室 ， 四川 绵阳621010 ； 2.中国科学技术大学 地球与空间科学学院 ， 安徽 合肥230000 ； 3.四川建筑职业技术学院 ， 四川 德阳618000)

摘要：采用静态吸附实验方法，研究了吸附时间、溶液pH值、吸附剂投加量和溶液初始浓度等因素对新疆沸石吸附Sr2+和Cs+的性能的影响。结果表明：新疆沸石对含Cs+放射性废水的处理效果要优于对含Sr2+的处理效果，其原因在于Cs+离子水合半径比Sr2+的离子水合离子小，当Sr2+和Cs+与沸石层间Na+、K+、Ca2+和Mg2+等发生离子交换时，Cs+离比Sr2+离子更易于进入蒙脱石层间而被固定。

关键词：沸石 ； 吸附性能 ； 锶 ； 铯

中图分类号：TQ424.23

收稿日期：2015-05-09

基金项目：国家自然科学

作者简介：王哲(1979-)，男，讲师，博士研究生，从事环境科学、核废物处理与地质处置等相关研究，E-mail：wz2004@126.com。

Study on Adsorption Performance of Zeolite from Xinjiang Province

for Radioactive Strontium and Caesium

WANG Zhe1,2, LI Haifeng3

(1.Nuclear Wastes and Environmental Safety Laboratory , Southwest University of Science and Technology , Mianyang621010 , China ; 2.School of Earth and Space Sciences , University of Science and Technology of China , Hefei230026 , China ; 3.Sichuan College of Architectural Technology , Deyang618000 , China)

Abstract:The static adsorption experiments are carried out to investigate the adsorption performance of strontium and caesium on zeolite in different adsorption time,pH values,adsorbent dosage and initial concentration.These results indicates that the adsorption performance of zeolite for Cs+ is better than Sr2+,and the reason is that hydrated ionic radius of caesium is bigger than hydrated ionic radius of strontium,so that Cs+ is more easily to be adsorbed into the interlayer of zeolite than Sr2+, when Sr2+and Cs+ are respectively exchanged with Na+、K+、Ca2+ and Mg2+ of zeolite.

Key words:zeolite ; adsorption performance ; radioactive waste ; Sr ; Cs

现代科学技术的发展使核能得以广泛的应用，其应用范围涉及工业、国防、农业、医学和科研等方面，这就不可避免地产生放射性废液，这些放射性废水中的核素又主要以裂变产物90Sr和137Cs、未被回收的Pu和U以及大部分超铀元素为主[1]。特别是日本福岛事故发生后，导致大量放射性物质泄漏，排出大量含有放射性锶和铯的废水[2-3]，而90Sr和137Cs具有迁移性高和半衰期较长(90Sr，28.8a；137Cs，30.2a)的特点，并且它们在裂变产物总放射性中所占比例随衰变时间的增加而增大，衰变10年，90Sr和137Cs两者放射性之和占裂变产物总放射性的91%；衰变20年，达97%；衰变40年达98%[4]。这些废液由于具有放射性，所以对环境及人体均会产生不可估量的危害，如何有效地去除放射性废液中的锶和铯，一直受到人们的广泛关注。

1材料与方法

1.1试剂与仪器

试剂：氯化锶(SrCl2·6H2O )，AR，天津科密欧化学试剂有限公司；氯化铯(CsCl )，AR，天津科密欧化学试剂有限公司；氢氧化钠(NaOH)，AR，成都长联化工试剂有限公司；盐酸(HCl)，AR，成都长联化工试剂有限公司。

仪器：等离子发射光谱—质谱仪(ICP-MS)7500CE，美国 Agilent公司；恒温卧式振荡器，IS-RDH1，美国精祺公司；电子天平，BSA224S，德国赛多利斯公司，精度为0.000 1 g；pH测量仪S975 SevenExcellence，梅特勒—托利多国际股份有限公司；台式高速离心机，TG1850-WS，上海卢湘仪离心机有限公司。

1.2实验材料及制备

新疆沸石原料主要产自新疆乌鲁木齐浅水河地区下白垩统吐鲁番组地层中，由玻屑晶屑凝灰岩和沉凝灰岩水解成岩生成。XRD图谱分析表明，该沸石样品的主要矿物组成为丝光沸石、斜发沸石、叶沸石、石英，含有少量蒙脱石、长石、水云母；主要化学成分为SiO2(67.57%)、Al2O3(13.14%)、Fe2O3(1.8%)、MgO(1.16%)、Na2O(3.79%)、CaO(1.39%)和K2O(1.31%)。将沸石原料研磨至75 μm(200目)，用去离子水进行水洗和提纯，并且在105 ℃烘干12 h后密封干燥保存，备用。

1.3实验方法

在一系列250 mL锥形瓶中分别加入一定量经过烘干的75 μm(200目)样品，样品中分别加入50 mL不同浓度的SrCl2和CsCl，配成固—液比为1∶500的固液吸附体系，用稀HC1或稀NaOH调节溶液的pH值；将其放入恒温卧式振荡器中，之后在25 ℃下恒温振荡14 d，使其达到吸附平衡；12 000 r/min离心10 min后取上清液，在等离子发射光谱—质谱仪(ICP-MS)测定残余Sr2+和Cs+离子浓度，按照下式计算平衡吸附量。

(1)

(2)

式中：Q为吸附容量，mg/g，η为吸附率，%，V为溶液体积， mL，c0为溶液的初始浓度，mg/L，ct为t时刻溶液的浓度，mg/L，W为吸附剂用量，g。

2结果与讨论

2.1时间对吸附性能的影响

分别取Sr2+(浓度为425.3 mg/L)、Cs+(浓度为664.3 mg/L)溶液50 mL于250 mL的锥形瓶中，加入0.1 g的新疆沸石，将pH值调至6.5~7.0范围内，并在25 ℃下将该固液体系的吸附时间分别设置为0.5 h、1 h、2 h、4 h、8 h、1 d、7 d、14 d和21 d，恒温振荡吸附，探讨吸附时间对Sr2+、Cs+吸附性能的影响，其结果如图1所示。由图1可以看出：在吸附作用开始的24 h内，新疆沸石吸附Sr2+、Cs+离子的速度较快，但随后吸附速度减慢，并随吸附时间的增加吸附量和吸附率在缓慢增加，21 d后吸附仍未达到平衡，吸附作用仍在缓慢进行。此外，通过图1还可以看出，新疆沸石对Cs+离子21d附量187.3 mg/g，而对Sr2+离子的21 d吸附量为98.6 mg/g，其单位质量新疆沸石对Cs+的吸附量是对Sr2+的吸附量的1.9倍，同时新疆沸石对Cs+离子的最终吸附率也大于对Sr2+离子的吸附率。因此，相同吸附时间条件下，新疆沸石对Cs+离子的吸附性能优于对Sr2+离子的吸附。

图1　吸附时间对Sr 2+和Cs +吸附性能的影响

2.2pH值对吸附性能的影响

图2　初始pH值对Sr 2+和Cs +吸附性能的影响

新疆沸石在pH值为4~7时，吸附量及吸附率增长较快，pH值>7后，增长速度又变慢并趋于平稳，吸附性能稳定。

2.3吸附剂加入量对吸附性能的影响

分别取Sr2+(浓度为425.3 mg/L)和Cs+(浓度为664.3 mg/L)溶液50 mL于250 mL的锥形瓶中，分别加入质量为0.1、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 g的新疆沸石，用HCl和NaOH将pH值调至6.5~7.0范围内，25 ℃下恒温振荡吸附14 d，探讨沸石加入量对吸附性能的影响，其结果见图3。由图3可知：新疆沸石对Sr2+、Cs+的吸附率随着加入量的增加而增大，但单位质量沸石的吸附量却明显减小；当新疆沸石对加入量为大于0.4 g时，其吸附率基本维持在96%左右而趋于不变，并且明显高于新疆沸石对Sr2+的吸附率。因此，在相同沸石加入量的条件下，新疆沸石对Cs+的吸附效果优于对Sr2+的吸附。

图3　吸附剂加入量对Sr 2+和Cs +吸附性能的影响

2.4溶液初始浓度对吸附性能的影响

分别取不同浓度的Sr2+(浓度为45.7、96.2、167.2、425.3、820.1和1 812.1 mg/L)、Cs+(浓度为51.8、115.3、260.7、664.3、1 336.7和2 702.2 mg/L)溶液50 mL于250 mL的锥形瓶中，分别加入质量为0.1 g的新疆沸石，用HCl和NaOH将pH值调至6.5~7.0范围内，25 ℃下恒温振荡吸附14 d，探讨溶液初始浓度对吸附性能的影响，其结果见图4。由图4可知：新疆沸石对Sr2+、Cs+的吸附率随着溶液的初始浓度增大而减小，但吸附量随着溶液初始浓度的增大而增大。此外，相同初始浓度条件下，新疆沸石对Cs+吸附效果要优于对Sr2+的吸附。

图4　初始浓度对Sr 2+和Cs +吸附性能的影响

3结论

采用静态吸附实验方法，研究了吸附时间、pH值、吸附剂投加量和溶液初始浓度等对新疆沸石吸附Sr2+、Cs+的性能影响。结果表明：新疆沸石对Sr2+、Cs+的吸附量及吸附率随着pH值增大而增加；吸附率随着沸石加入量的增加而增大，而单位质量沸石的吸附量却明显减小；吸附量随着溶液初始浓度的增大而增大，而吸附率随着溶液的初始浓度增大而减小。相同吸附条件下，新疆沸石对Cs+的吸附性能优于对Sr2+的吸附性能，并且新疆沸石对低浓度的含放射性核素Sr2+、Cs+的处理效果更好。

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