椰殼活性炭對(duì)水溶液中鈾VI的吸附研究

吳素強(qiáng) 劉永 何鵬

摘 要：以椰殼為原料制得活性炭C-1，采用KOH活化法對(duì)C-1改性得到活性炭C-2，通過(guò)紅外分析儀、掃描電鏡、粉末衍射儀等儀器對(duì)C-1和C-2進(jìn)行表征。結(jié)果表明，C-2含有較多的含氧官能團(tuán)，會(huì)形成新的孔隙；以鈾（VI）溶液為研究目標(biāo)，C-1對(duì)鈾的吸附量為3.01mg/g，C-2對(duì)鈾的吸附容量為3.62mg/g，Lagergren準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和Langmuir吸附等溫式能很好的描述C-1和C-2對(duì)鈾（VI）的吸附。

關(guān)鍵詞：活性炭；鈾；吸附動(dòng)力學(xué)；吸附等溫線(xiàn)

中圖分類(lèi)號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2019）07-0126-04

Abstract：Activated carbon C-1 was prepared from coconut shell，and activated carbon C-2 was obtained by modification of C-1 by KOH activation method. The characterization methods adopted by C-1 and C-2 are mainly through infrared analyzer，scanning electron microscope，powder diffractometer and other instruments. The results show that C-2 contains more oxygen-containing functional groups and forms new pores. Taking uranium（VI） solution as the research target，the adsorption capacity of C-1 for uranium is 3.01mg/g，and the adsorption capacity of C-2 for uranium is 3.62mg/g. The Lagergren quasi-second-order kinetic equation and the Langmuir adsorption isotherm can better describe the adsorption of uranium（VI） by C-1 and C-2.

Key words：Activated carbon；Uranium；Adsorption kinetics；Adsorption isotherm

活性炭作為吸附材料之一，不僅具有較大比表面積、較高孔隙率、耐高溫、耐酸堿等特性，而且制作活性炭的原料來(lái)源非常廣泛（如稻殼、農(nóng)作物秸稈、木材等），因此，活性炭從經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)際操作的可行性這兩方面來(lái)看，都可以作為處理低濃度鈾廢水的潛在吸附劑。椰殼作為農(nóng)業(yè)廢棄物的一種，具有結(jié)構(gòu)致密、灰分低、強(qiáng)度大、價(jià)廉易得等優(yōu)點(diǎn)[4]，將椰殼做成活性炭應(yīng)用于治理低濃度含鈾廢水方面具有廣闊的發(fā)展前景。鑒于此，本研究選取椰殼活性炭作為吸附劑，通過(guò)紅外分析、電鏡掃描、粉沫衍射等對(duì)改性前后的椰殼活性炭進(jìn)行表征，并通過(guò)吸附動(dòng)力學(xué)、吸附等溫平衡實(shí)驗(yàn)，分析其吸附機(jī)理，旨在為有效去除水中的鈾（VI）提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 椰殼活性炭的制備 新鮮的椰子取自海南省，將椰子清洗干凈，椰子殼和椰子皮分離，將成熟度相同的椰殼切成1cm×1cm×1cm的大小。在自然條件下風(fēng)干7～14d，將一定量的風(fēng)干椰子殼置于馬弗爐中，在400℃下燒焦4h，冷卻至室溫并研磨。將得到的活性炭標(biāo)記為C-1，然后按質(zhì)量比1∶5的比例將10g椰殼活性炭（C-1）和KOH加入1000mL燒杯中，劇烈攪拌120min，靜置24h，過(guò)濾，然后洗滌至中性。將其置于50℃的真空烘箱中48h，得到改性活性炭，命名為C-2。

1.2 分析儀器 CARY50紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)（美國(guó)Varian公司）、SHY-2A型水浴恒溫震蕩器（江蘇金壇市醫(yī)療儀器廠）、HQ11d型pH計(jì)（美國(guó)HACH公司）.

1.3 吸附實(shí)驗(yàn) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，將質(zhì)量濃度為100mg/L的鈾酰溶液分別稀釋到20、40、60、80、100mg/L，然后分別置于50mL容量瓶中，再往容量瓶中加入0.1g活性炭，調(diào)節(jié)pH為5.0；稀釋至體積為50mL。用密封膜密封后，分別設(shè)置溫度為283、298、323K，置于水浴恒溫振蕩器中以150r/min的轉(zhuǎn)速，按照預(yù)設(shè)時(shí)間振蕩，最后取水樣過(guò)0.45μm濾膜后測(cè)定鈾酰濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 FT-IR/傅里葉變換紅外光譜 圖1為C-1和C-2的FT-IR/傅里葉變換紅外光譜，可以看出：曲線(xiàn)C-2的吸收峰強(qiáng)于曲線(xiàn)C-1的吸收峰，表明KOH改性的椰殼活性炭表面上的含氧官能團(tuán)的數(shù)量多于未改性的。光譜曲線(xiàn)在1750、1656、1464cm-1處出現(xiàn)吸收峰，該吸收峰是由分子的C=O、C=C的伸縮振動(dòng)引起的，顯然，曲線(xiàn)C-2具有更強(qiáng)的峰，表明C-2表面含氧基團(tuán)含量更多。由于含氧官能團(tuán)是與鈾（VI）絡(luò)合的主要官能團(tuán)，因此，C-2對(duì)鈾（VI）的吸附能力更強(qiáng)。

2.2 掃描電鏡（SEM）結(jié)果分析 圖2和圖3分別為C-1和C-2的表面形態(tài)圖。由圖2和圖3可見(jiàn)，在KOH的氧化作用下，C-2表面更加光滑，孔隙分布相對(duì)均勻，并生成了新的孔隙。

2.3 XRD結(jié)果 圖4為改性前后椰子殼的XRD分析圖，該光譜中有幾個(gè)突出的衍射峰。無(wú)機(jī)雜質(zhì)的附著會(huì)影響吸附劑的表面活性，從而在一定程度上影響椰殼活性炭的吸附能力。由上圖可知：C-2譜線(xiàn)在第1個(gè)位置2θ=26°，在第2個(gè)位置2θ=40°，與未改性的活性炭C-1相比，活性炭C-2在這2個(gè)位置處的衍射峰未顯示出顯著變化，說(shuō)明改性后雜質(zhì)仍然存在。

2.4 吸附實(shí)驗(yàn)

2.4.1 吸附動(dòng)力學(xué)擬合 試驗(yàn)過(guò)程中，采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，相應(yīng)的方程、模型表達(dá)式如下式。

從圖中擬合結(jié)果可以看出，Langmuir吸附等溫式對(duì)U022+的吸附R2值都在0.99以上，這說(shuō)明C-1和C-2的吸附屬于單分子層吸附。283K下的n值最大，表明在283K下活性炭對(duì)鈾酰離子的吸附強(qiáng)度最大。

3 結(jié)論

紅外分析和掃描電鏡證實(shí)，改性活性炭表面含有更多的含氧官能團(tuán)和較豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，有利于增強(qiáng)對(duì)鈾（VI）的吸附；隨溫度的升高，椰殼活性炭對(duì)UO22+的飽和吸附量降低，這表明活性炭對(duì)UO22+的吸附是1個(gè)放熱反應(yīng)。Lagergren準(zhǔn)二級(jí)速率方程能很好地?cái)M合吸附動(dòng)力學(xué)。C-1和C-2對(duì)UO22+的吸附等溫線(xiàn)更加符合Langmuir吸附等溫式，說(shuō)明吸附分子之間沒(méi)有作用力，屬于單分子層吸附。

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（責(zé)編：王慧晴）