大体积水中铀的吸附与解吸实验分析

李鹏翔,李 周,马旭媛,张 静，易武静,韩玉虎

(中国辐射防护研究院 核环境科学研究所，太原 030006)

引 言

铀是主要的天然放射性元素之一，在地壳中的比例大约为百万分之一，因此环境样品中的铀含量一般都很低。据文献报道，天然铀在环境水中的含量一般为每升0.1微克到几个微克。关于铀的分析方法，在20世纪80年代前主要有固体荧光法和分光光度法[1]，80年代后出现了激光荧光法，它们都有较高的灵敏度，可以满足样品分析的要求，但是对于一些水质复杂的废水样需要进行预处理工作。

本文基于活性炭有很强的吸附能力的特点，能从低浓度的含铀溶液中把铀定量吸附[9]。所以选择活性炭作为铀的吸附剂，本实验采用的活性炭是用椰壳制备，经过化学处理后装入玻璃柱中，然后将含铀的溶液以动态过柱的方式流过活性炭吸附柱，最后用MUA型微量铀分析仪对过柱前后溶液中的铀含量进行测定，并计算其回收率。从活性炭对铀的吸附、解吸两方面开展条件实验，旨在寻找一种操作简单，能有效快速分离铀的分析方法，为大体积水中总铀及铀同位素分析提供样品前处理技术，进一步可以扩展到大体积水样的现场采样，大大减少大体积水样的运输成本和工作量。

1 实验材料与方法

1.1 主要试剂与仪器

MUA型微量铀分析仪，从核工业北京地质研究院购进；微量移液器(50μL、500μL、5000μL)；吸附柱(Φ35×175 mm)；真空抽滤泵；聚乙烯塑料桶；活性炭，椰壳制备，粒径小于1mm。

盐酸，浓度36.0%～38.0%(m/m)；硝酸，浓度65.0%～68.0%(m/m)；铀荧光增强剂，从核工业北京地质研究院购进；铀标准溶液(临用时配制)：用pH为2的硝酸酸化水将1.00mg/mL铀标准贮备溶液逐级稀释成不同浓度的铀标准溶液。本实验用到的是0.1μg/mL和0.5μg/mL。

本实验所用试剂均为分析纯。实验用水为蒸馏水。

1.2 实验方法

量取一定体积的水样，用硝酸酸化到pH小于2.0，鼓氮气法驱除水中溶解的气体，调节pH大约为4.0左右；活性炭吸附柱的制备：椰壳活性炭，浓硝酸浸泡48h以上，烘干后，马弗炉中灼烧4h以上。湿法装入Φ35×175 mm的离子交换柱中，用蒸馏水淋洗到pH为4。

让水样品溶液通过活性炭吸附柱(Φ35×175mm)，用一定体积的6mol/L盐酸解吸活性炭柱子中的铀，流速为0.5mL/min，收集解吸液，并经过预处理转化成硝酸体系，用激光铀测定仪测定过柱前后溶液中铀的含量，计算出回收率。本文开展了活性炭的流速穿透实验、体积穿透实验以及活性炭吸附铀后的解吸实验。

2 实验结果与分析

2.1 不同流速条件下活性炭对水中铀的吸附实验

首先进行了不同流速条件下，活性炭对铀的吸附效果实验，目的是了解水中铀对活性炭的流速穿透情况。

量取一定体积的水样，用硝酸酸化到pH小于2.0，鼓氮气法驱除水中溶解的气体，调节pH大约为4.0左右；让水样品溶液以不同的流速通过活性炭吸附柱(Φ35×175mm)，收集流出液，激光铀分析仪测定过柱前后溶液中铀的含量。

在不同流速条件下，活性炭对水中铀的吸附率的测定实验结果，见表1和图1。

表1 不同流速条件下活性炭对铀的吸附效果

图1 不同流速下活性炭对水中铀的吸附率

从实验结果可以看出，流速为1.50～230 mL/min时，活性炭对水中铀的吸附率为62.7%～92.6%范围内，随着流速的增大，吸附率逐渐降低。在流速为50mL/min时没有穿透现象，吸附率接近90%。

2.2 不同水样体积下活性炭对水中铀的吸附实验

本实验进行了不同水样体积下，活性炭对铀的吸附效果实验，目的是了解活性炭柱可以浓集水样的体积量。

量取一定体积的水样，用硝酸酸化到pH小于2.0，鼓氮气法驱除水中溶解的气体，调节pH大约为4.0左右；让水样品溶液以不同的流速通过活性炭吸附柱(Φ35×175mm)，收集流出液，激光铀分析仪测定过柱前后溶液中铀的含量。

首先将50L水样完全通过活性炭柱，待溶液快流干时用烧杯在柱子下端收集流出液，用激光荧光法测定铀含量。接下来将另外一桶50L继续通过同一个活性炭柱子，如此反复，通过活性炭柱的水样累计体积达到450L。在不同体积条件下，活性炭对水中铀的吸附率的测定实验结果，见表2和图2。

表2 活性炭对不同体积水样中铀的吸附效果

图2 不同体积的水样通过活性炭柱子时铀的吸附率

从实验结果可以看出，通过活性炭柱子的水样体积为50～450 L时，活性炭对水中铀的吸附率为48.8%～90.7%范围内，通过活性炭柱子的体积越大，吸附率越低，两者呈负相关的趋势。在水样体积为200L时吸附率大于80%，这个结果远远高于其它的浓集分析方法。

2.3 活性炭中铀的解吸实验

采用6mol/L盐酸解吸活性炭柱子中的铀，收集解吸液，用激光铀分析仪测定其中铀的含量并计算出解吸率。实验结果见表3和图3。

表3 活性炭中铀解吸的实验结果

续表3

图3 活性炭中铀解吸的实验结果

从实验结果可以看出，采用6mol/L盐酸解吸活性炭柱子中的铀，解吸液通过活性炭柱的流速控制为0.5mL/min，开展了6mol/L盐酸用量为800～1 700mL范围的解吸效果，随着解吸液用量增加，解吸率逐渐增大，当6mol/L盐酸用量为1 700mL时，解吸率可以达到80%。有研究者开展了活性炭对铀吸附性能的研究，2020年常兰等人[4]进行了柚子果皮制成的活性炭对铀的吸附性能研究，在250mL容量瓶总加入铀溶液，调节pH后加入一定量的活性炭作为吸附剂，在一定温度下恒温振荡后离心，取上清液进行分光光度测定铀含量。吴素强[8]采用KOH活性化将椰壳活性炭改性，然后在容量瓶中加入20～100mg/L的铀酰溶液，并投入0.1g活性炭，调节pH为5.0的条件下，水浴恒温振荡器中振荡一定时间后，采用紫外/可见分光光度计测定铀酰离子的浓度。结果发现改性后的活性炭对铀的吸附容量为3.62mg/g，比改性前的吸附容量增加了0.61 mg/g。上述实验是在小体积下活性炭对高浓度铀的吸附性能研究，本文是基于实际环境水样中铀同位素监测需求出发，实验了几十升至几百升水样的吸附效果。另一方面是考虑了活性炭的重复利用和核素的解吸分析需要，将吸附后的铀如何从活性炭中解吸出来，与后续的分析测定的要求相衔接。

3 结 论

3.1 本文是基于实际环境水样中总铀及铀同位素监测需求出发，对50～450 L自来水中铀的吸附和解析进行了实验，活性炭对水中铀的吸附率为48.8%～90.7%范围内，当水体积为200L时吸附率大于80%，这个结果远远高于其它的浓集分析方法。水体积为200L时吸附率大于80%，这个结果远远高于沉淀浓集方法，且沉淀法和共沉淀法一般手续繁琐冗长。流速为1.50～230 mL/min时，活性炭对水中铀的吸附率为62.7%～92.6%范围内，随着流速的增大，吸附率逐渐降低，在流速为50mL/min时没有穿透现象，吸附率接近90%。

3.2 采用6mol/L盐酸可用于解吸活性炭柱子中的铀，用量为1 700mL，流速控制为0.5mL/min时，解吸率可以达到80%，继续扩大解吸时长可以提高解吸效果，但是考虑解吸时间过长，不便于实际操作，具有进一步改进和提升的地方，建议将活性炭在管式炉中灰化处理，用酸溶解灰残渣，来代替盐酸解吸的方法。

3.3 活性炭吸附法可以适合大体积水中铀的预处理，经过适当的改进和完善后可以推广应用于大体积水样的现场采样，可以达到节约样品，减少样品预处理程序的目的，具有广阔的应用前景。