棕櫚纖維生物炭的制備及其對U（Ⅵ）的吸附性能①

李殿鑫，陽亦青，肖思友，張 鵬

（六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004）

鈾礦山等工業(yè)場地及其周邊的鈾污染問題較為嚴(yán)峻［1］。U（Ⅵ）是鈾遷移中主要的形態(tài)，應(yīng)對其進(jìn)行重點(diǎn)治理［2］。生物吸附法是目前修復(fù)水中U（Ⅵ）污染的主要方法之一，具有材料來源廣泛、成本低廉、無二次污染等優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣泛［3－5］。生物炭是生物吸附材料的一種，既可以用于吸附重金屬，又可以解決植物殘渣堆積問題，目前已成為U（Ⅵ）吸附的研究熱點(diǎn)［6］。

棕櫚纖維是棕櫚科植物產(chǎn)生的天然纖維。本文采集某棕櫚樹纖維，通過高溫缺氧焙燒，制備了棕櫚纖維生物炭（PFC）［7－8］，并通過KOH和微波輻照改性，合成了K-M-PFC，用于水中U（Ⅵ）的生物吸附。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

主要實(shí)驗(yàn)試劑：偶氮胂Ⅲ、氫氧化鉀、氫氧化鈉，均為分析純；濃硝酸、濃鹽酸，均為優(yōu)級純。以上試劑均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

棕櫚纖維：采集于六盤水師范學(xué)院某棕櫚樹。

模擬含鈾污染地下水：按照實(shí)際鈾污染地下水的主要地球化學(xué)參數(shù)配置，并加鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液將U（Ⅵ）濃度調(diào)節(jié)至1～15 mg／L，備用。

主要儀器設(shè)備：智能馬弗爐（長沙開元儀器股份有限公司，5E－MF6100），烘箱（紅杉實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠，WJ101－3），變頻微波爐（廣東美的廚房電器制造有限公司，M3－L231F），多參數(shù)分析儀（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，DZS－708L），紫外可見光分光光度計（上海佑科儀器儀表有限公司，752 N），掃描電子顯微鏡（SEM，美國FEI QUANTA400FEG），元素分析儀（德國EA3000），傅里葉紅外光譜儀（FTIR，布魯克VERTEX70）。

1.2 K-M-PFC的合成

具體操作步驟如下：①將采集的棕櫚纖維剪成5 mm小段，并用去離子水洗滌以去除雜質(zhì)，在鼓風(fēng)干燥箱中110℃下烘干，置于馬弗爐中缺氧碳化（20℃／min升高至550℃，并保持4 h），得到棕櫚纖維生物炭基底材料PFC；②將PFC在濃度10%的KOH溶液中浸泡24 h，并用去離子水反復(fù)洗滌至中性，在鼓風(fēng)干燥箱中110℃下烘干，得到K-PFC；③將K-PFC在900 W微波下輻照2 min，得到K-M-PFC。

1.3 表 征

為研究K-M-PFC的吸附機(jī)理，分別對K-M-PFC吸附U（Ⅵ）前后的樣品進(jìn)行形貌觀察、化學(xué)成分分析、FTIR表征（光譜的采集范圍400～4 000 cm－1）。

1.4 單因素吸附實(shí)驗(yàn)

通過單因素吸附實(shí)驗(yàn)，研究pH值、反應(yīng)時間、U（Ⅵ）初始濃度、吸附劑用量等因素對K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影響。將30 mL加鈾標(biāo)模擬地下水（1、2、5、10或15 mg／L）置于50 mL離心管中，并用1 mol／L的HCl或NaOH溶液調(diào)節(jié)模擬地下水的初始pH值。將離心管置于搖床中，在180 r／min、30℃下反應(yīng)一定時間。

U（Ⅵ）吸附量q（mg／g）、吸附率R（%）分別通過公式（1）和（2）計算：

式中C0和Ce分別為U（Ⅵ）的初始濃度和平衡濃度，mg／L；V為U（Ⅵ）溶液體積，mL；m為吸附劑質(zhì)量，mg。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 樣品SEM表征

樣品SEM圖譜如圖1所示。從圖1可以看出，PFC為管狀多孔結(jié)構(gòu)，表面和孔內(nèi)有很多雜質(zhì)。經(jīng)KOH和微波輻照改性后得到的K-M-PFC樣品中，其孔內(nèi)和表面的雜質(zhì)大多數(shù)被清除，比表面積明顯變大［9］。

圖1 樣品SEM圖譜

樣品FTIR光譜圖如圖2所示。從圖2看出，改性前，PFC樣品在3 417.25 cm－1處存在—OH、N—H伸縮振動特征峰、1 582.85 cm－1處存在N—H彎曲振動特征峰、1 422.69 cm－1處存在C—H彎曲振動特征峰、1 040.90 cm－1處存在C—N、C—O伸縮振動特征峰、779.18 cm－1處存在C—H、N—H彎曲振動特征峰［10］；KOH和微波輻照改性后，這些特征峰均發(fā)生了偏移，并在880.40 cm－1處出現(xiàn)了N—H、C—N彎曲振動特征峰［11］。

圖2 樣品FTIR表征

樣品元素分析結(jié)果如表1所示。PFC含碳量為47.93%，含氧量為48.02%；經(jīng)KOH和微波輻照改性后，K-M-PFC含碳量升至49.89%，含氧量降至46.44%。表明經(jīng)KOH和微波輻照改性去除了PFC的含氧雜質(zhì)［12］。

表1 元素分析結(jié)果

2.2 單因素吸附實(shí)驗(yàn)

2.2.1 pH值的影響

固定K-M-PFC加入量0.233 g／L、溶液U（Ⅵ）初始濃度10 mg／L、吸附時間120 min、吸附溫度30℃，pH值對K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影響見圖3。從圖3可以看出，pH＜5時，隨著pH值增大，K-M-PFC對U（Ⅵ）的吸附量增加；pH＞5時，隨著pH值增大，K-M-PFC對U（Ⅵ）的吸附量減少。研究表明，pH＝5時，（UO2）4（OH）7＋和（UO2）3（OH）5＋為溶液中的主要U（Ⅵ）形態(tài)，此時，K-M-PFC對（UO2）4（OH）7＋和（UO2）3（OH）5＋具有較好的吸附效果［13－14］。因此，選擇pH＝5。

圖3 pH值對K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影響

2.2.2 吸附時間的影響

pH＝5，其他條件不變，吸附時間對K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影響見圖4。從圖4可以看出，反應(yīng)初期，K-M-PFC對U（Ⅵ）的吸附速度較快；60 min后吸附速率變慢；75 min后吸附幾乎達(dá)到平衡，此時吸附量為42.446 mg／g，吸附率為98.90%。反應(yīng)初期吸附速度較快，是因?yàn)镵-M-PFC表面有較多吸附位點(diǎn)，而隨著吸附進(jìn)行，K-M-PFC表面吸附位點(diǎn)逐漸減少，吸附速率逐漸變慢。

圖4 吸附時間對K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影響

2.2.3 U（Ⅵ）初始濃度的影響

吸附時間75 min，其他條件不變，U（Ⅵ）初始濃度對K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影響見圖5。從圖5看出，K-M-PFC對U（Ⅵ）的吸附量隨著U（Ⅵ）初始濃度增加而增加，但U（Ⅵ）初始濃度大于10 mg／L后，吸附量變化不大，因此選擇U（Ⅵ）初始濃度為10 mg／L。

圖5 U（Ⅵ）初始濃度對K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影響

2.2.4 K-M-PFC用量的影響

U（Ⅵ）溶液體積0.03 L、吸附時間120 min、U（Ⅵ）初始濃度10 mg／L、pH＝5、吸附溫度30℃，K-M-PFC用量對U（Ⅵ）吸附的影響見表2。從表2可以看出，K-M-PFC用量低于7 mg時，其對U（Ⅵ）的吸附量隨著吸附劑用量增加而遞增；K-M-PFC用量高于7 mg時，增加用量對吸附量影響不大。因此，選擇K-M-PFC用量7 mg，即0.233 g／L。

表2 吸附劑用量對K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影響

2.3 優(yōu)化條件下K-M-PFC對U（Ⅵ）的吸附性能

通過單因素實(shí)驗(yàn)，K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的適宜條件為：pH＝5、吸附時間75 min、U（Ⅵ）初始濃度10 mg／L、K-M-PFC用量0.233 g／L、反應(yīng)溫度30℃。在此條件下進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，K-M-PFC對U（Ⅵ）的吸附量可達(dá)43.042 mg／L。

2.4 K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后的形貌表征

K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后的SEM圖譜見圖6。與圖1對比可知，K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后，其表面和孔內(nèi)均出現(xiàn)了不規(guī)則的物質(zhì)，表明K-M-PFC具有較好的吸附U（Ⅵ）能力。

圖6 K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后的SEM形貌

K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后的FTIR表征見圖7。與圖2對比可知，K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后，所有特征峰均發(fā)生了偏移，1 388.69 cm－1處的C—N、—OH彎曲振動特征峰消失。因此，C—N、—OH彎曲振動特征峰可能與U（Ⅵ）的吸附有關(guān)。

圖7 吸附U（Ⅵ）后K-M-PFC的FTIR表征

K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后的元素分析結(jié)果見表3。與表1對比可知，K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后含碳量升高，可能與C—N、—OH彎曲振動特征峰的消失有關(guān)。

表3 K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后元素分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

通過以上分析可知，U（Ⅵ）主要吸附在K-M-PFC表面和孔隙內(nèi)，并消耗—OH，因此，吸附過程為表面化學(xué)吸附。

3 結(jié) 論

1）使用棕櫚纖維生物炭為基底材料，通過KOH和微波輻照改性，制備了K-M-PFC生物吸附材料。

2）K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的適宜條件為：pH＝5、吸附時間75 min、U（Ⅵ）初始濃度10 mg／L、K-M-PFC用量0.233 g／L、反應(yīng)溫度30℃，在此條件下進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，K-M-PFC對U（Ⅵ）的吸附量可達(dá)43.042 mg／g。

3）U（Ⅵ）吸附在K-M-PFC表面和孔隙內(nèi)，并消耗—OH，表明K-M-PFC對U（Ⅵ）的吸附主要為表面化學(xué)吸附。