水体中碘131的去除

姚炜栋，陈澄宇

(1 华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642；2 华南理工大学环境与能源学院，广东 广州 510006)

碘在日常生活中广泛存在，比如富含碘的海藻类食物、含碘化物成分的药丸以及在皮肤上使用来防止受伤感染的碘化物消毒液。除非我们刻意讨论起放射性碘，否则在日常生活中则较少提起。虽然日本2011年的大地震已经过去了几年，但是每当提及起福岛核泄漏事故，人们难免会谈核色变。大地震之后出现了棘手的问题，大量的I-131(一种放射性核素)泄漏到海洋和大气中。I-131是一种水溶性物质，会进入大气并沉降到水环境中，因此它能够通过太平洋往世界各地扩散。

I-131在环境的变化包括衰变过程和“有机固定”。衰变过程伴随着β粒子和弱γ辐射的发射。而“有机固定”则表示碘与有机物结合的潜力，它可以减缓碘在环境中的迁移。

I-131对人体健康的影响可分为两大类：外部暴露和内部暴露。外部暴露是指直接接触大量I-131，这可能导致眼睛和皮肤灼伤。内部暴露会对甲状腺造成严重的影响。一旦人们摄入含I-131的食物或水，这种放射性核素就会被人体吸收，然后身体器官就暴露在辐射下。这可能会增加患甲状腺癌或其他甲状腺疾病的风险[2]。未积聚在甲状腺中的其余放射性碘将随尿液排泄出人体。

大气中的I-131可以沉降在水果和蔬菜上直接被人们食用，或者它可以落在草地上并被奶牛和山羊食用，然后当我们喝从他们那里生产的奶制品时，也可能会接触到它。在福岛核泄漏事故发生后不久，我国也进行了对空气气溶胶、地面水、雨水、土壤、蔬菜、牛奶等样品的放射性监测。表1是在2011年北京地区进行采样监测得到的部分结果，可以看出福岛核泄漏对北京地区的环境质量有一定程度的影响，不过所幸放射性污染物的浓度较低。根据相应的国家标准GB18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》，对空气中I-131活度规定限值为24.3 Bq/m3，饮用水为10 Bq/m3，食品为1 kBq/m3[3]。而显然，表1中I-131的数据均未超过规定限值，因此事故对北京地区人群的健康影响较少。另外，我国于2011年3月30日起对8个城市牛奶样品中放射性核素活度浓度实施了监测[4]。监测结果表明，28个牛奶样品均未检出I-131。虽说事故对我国的影响有限，但根据上述讨论，也应特别注意处理I-131。

表1 北京地区2011年四月份样品放射性核素检测结果[5]Table 1 Test results of radionuclides in samples in Beijing, April 2011

1 用于去除I-131的处理方法

碘可以用几种不同的方法处理，包括絮凝、反渗透、离子交换法和吸附法。

美国环保署建议将反渗透作为去除放射性核素的处理工艺。反渗透被认为是铀、镭、总α放射性和总β放射性的最佳技术。它甚至有可能去除高达99%的放射性核素，以及许多其他污染物(如砷，硝酸盐和病原菌)[6]。此外，根据美国环保署在其网站上所说的，反渗透不能去除二氧化碳和氡等气态污染物。只能说反渗透是去除放射性核素的有效方法，并不意味着它对I-131的作用也具有同样效果。福岛核电站的I-131实际上是作为工业尾气释放出来的，然后被空气的水蒸气捕获，之后它会随降雨落下并进入附近的水源。美国环保署也没有特别将反渗透作为I-131的最佳处理工艺。而且，Summers等[7]发现碘与水生腐殖质反应，活性炭的絮凝和吸附作用似乎对去除碘与腐殖质的复合物更有效。更重要的是，反渗透比活性炭吸附的成本贵得多，这使得吸附法成为更具竞争力的技术。

上述这些处理方法都有其自身的缺点，需要进一步改进。本文主要关注吸附法，下面将对其进行介绍。

2 吸附法

虽然如前所述，颗粒状活性炭(Granular Activated Carbon，GAC)的吸附作用可以去除I-131。GAC的简单处理仍然不足以获得令人满意的结果。因为GAC在吸附一定量的碘后会出现“孔堵塞”，进一步影响吸附的效果。从Bhatia等[9]的研究中得出的结论分析，吸附在GAC上的碘可分为两部分：已经吸附到GAC上的“不可逆”部分和仍然试图进入GAC的Langmuir等温线的“可逆”部分。然而，由于不可逆的碘或捕获的碘阻塞了或改变了孔隙的结构，它能阻止随后的碘进入GAC。

为了增强吸附的效果，人们根据碘的化学性质，开始从吸附剂本身开始改造。一些学者在吸附剂的基础上引入银，通过化学反应进一步捕获碘。根据Ho等[10]的研究，用银和氯预处理得到的活性炭改善了对碘的吸附，这种活性炭称为银浸渍活性炭。在银浸渍活性炭表面上，银沉淀物中的氯离子和碘离子之间存在离子反应。因为碘化银的溶度积常数远低于氯化银。离子反应为：AgCl (s)+I-(aq) → AgI (s)+Cl-(aq)。他们发现在流过数千个体积的吸附床后，碘化物的去除率超过98%，浓度仅为10-7mol/L。根据Hoskins等[11]的研究，银浸渍活性炭的优势在于它对pH的依赖性低于GAC，并且当吸附饱和、反应完全时，碘的吸附量将远高于GAC。银浸渍活性炭的缺点或限制是：如果银的含量比碘化物浓度低得多，则不能增加吸附效率；如果银含量比碘化物浓度高得多，并且在强酸性条件下，银浸渍活性炭的银浸出也会对碘化物的吸附产生影响。为了改善这个问题，应该观察记录不同碘化物浓度以及pH条件的所需的最适银含量，以便使银浸渍活性炭产生最佳吸附能力，同时节约成本。

最近，利用Ag2O嫁接的层状纳米材料，如Ag2O嫁接层状钛酸盐和Ag2O嫁接层状钒酸钠，对放射性Cs+和I-具有比较好的去除能力。这些发现用于同时捕获废水中的放射性阳离子和阴离子，引出了吸附剂嫁接合成的新方向。Mu等[12]通过对戊乙氧基铌溶液的简单水热处理和化学沉淀过程得到Ag2O-铌酸盐纳米纤维。该材料具有由[NbO6]和[NaO6]八面体单元组成的分层结构，它赋予这些材料丰富的微孔结构和相对大的比表面积。它们在各种pH条件下都是稳定的，并且表现出优异的耐辐射性。实验表明，超过97%的碘离子在水溶液中被除去。此外，Ag2O-铌酸盐纳米纤维对碘离子具有高选择性，高浓度的氯离子对碘离子竞争吸附能力的影响不大。

Bo等[13]发现钛酸盐纳米材料具有高吸附性能和对辐射、高温的稳定性，因而适合用于研究处理含放射性离子的废水。此外，还发现Ag2O晶体具有与钛酸盐纳米结构表面结晶相似的表面。这种性质意味着Ag2O晶体可以在Ag2O晶体和钛酸盐之间的表面处共享氧原子而牢固地附着在钛酸盐纳米材料的外表面上，形成Ag2O-钛酸盐纳米纤维。Ag2O-钛酸盐纳米纤维可以在大流量污水里以相当大的速率捕获水溶液的碘离子，可以作为工业规模放射性碘去除的有效吸附剂，采用这种材料结合吸附柱可以有效捕获核事故中的放射性碘。

除了上述材料外，还有一些人研究了生物材料。姜筝等[14]以面包酵母菌和大肠杆菌作为生物吸附剂，观察其对溶液中碘离子的生物吸附行为。他们的研究显示，面包酵母菌和大肠杆菌对碘离子的吸附是一个相对快速的过程，分别在60 min、20 min左右达到吸附平衡，理论最大吸附量分别为120.7 μmol/g和37.2 μmol/g。主要机理是两种细菌的细胞壁上含有酰胺、羟基和羧基基团，它们参与了对碘离子的化学吸附过程。虽然吸附剂成本比较低廉，但这种生物材料对水体环境的要求比较苛刻，特别是pH。此外，还应关注生物材料在处理放射性废水中是否发生基因突变，否则这个变异细菌一旦泄露到环境将会造成更大的危害。

3 结 语

吸附法在处理放射性碘的废水中应用广泛，而且不断得到发展。人们根据碘元素的特殊性，在吸附剂原有的基础上引入银，增强了吸附效果，但同时增加了处理废水的成本。这些新型吸附剂的再生利用也是一个新的研究课题。而对于吸附剂的改造，我们也可以通过对吸附剂“孔堵塞”的研究，减少这种效应，提高吸附剂的利用率。另外，还要更好地与实际工业生产条件结合起来，形成一套完整的工艺流程。