金属亚铁氰化物复合微球的制备及其吸附性能研究

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自2011年福岛核电站发生核事故以来,放射性核素的废液处理技术已经成为重点研究的内容之一,而铯在放射性核素中占很大的份额,由于其半衰期长,对人类的健康带来严重的危害,因此,除去废水中的铯离子十分必要。吸附法因其成本低、工艺简单和高效而备受关注,但是其除铯效果受吸附剂的制约。金属亚铁氰化物具有独特的选择性、极高的化学稳定性等优点,因此,此材料一直以来是放射性铯废水处理领域的研究热点之一。羧甲基纤维素是一种水溶性纤维素醚,由于其在多价离子的存在下可以形成凝胶微球而常作为增稠剂、包埋剂等。本文以羧甲基纤维素钠为载体,以金属亚铁氰化物为活性成分,采用包埋法、原位合成法等固化技术分别制备了羧甲基纤维素钠/普鲁士蓝交联镧凝胶微球(CMC/PB-La)、普鲁士蓝微球(CMC-PB)和亚铁氰化铜复合颗粒(CMC-KCuFC)吸附材料,详细探讨三种吸附材料对模拟含铯废水中Cs+的吸附去除性能,并研究了三种吸附剂对铯离子的吸附动力学、热力学及吸附等温模型,以及吸附剂的洗脱和可能的吸附机理,主要研究结果如下:  1、利用包埋法制备了CMC/PB-La凝胶微球吸附剂,考察了pH、吸附剂用量、反应时间、初始铯离子浓度和辐射稳定性等因素对铯的吸附性能影响。得出制备CMC/PB-La凝胶微球的最佳吸附条件为:吸附剂用量为1g/L,吸附时间为1000min,温度为298.15K,溶液中K+的存在会影响吸附剂除铯效果;吸附过程符合Freundlich等温吸附模型和准二级动力学模型,当温度低于328.15K,CMC/PB-La凝胶微球吸附铯离子是自发的吸热过程,具有较好的辐射稳定性;并通过SEM、FT-IR、EDX和XPS对吸附剂进行表征测试。推测CMC/PB-La凝胶微球吸附铯离子的机理是物理吸附和化学吸附共同作用的结果。  2、采用原位合成法制备了CMC-PB凝胶微球吸附材料,并研究了其吸附铯离子的特性。结果表明吸附铯离子的优化条件为:pH为5,吸附剂的量为1.2g/L,吸附时间为60 min,吸附铯离子起主要作用的是CMC-PB微球上的PB晶体。并对等温模型、动力学模型及热力学进行了研究,结果表明:吸附过程符合Langmuir等温模型及准二级动力学模型,最大吸附量为115.04mg·g-1,从计算的热力学数据可知,CMC-PB吸附铯离子是自发的吸热过程。通过IR、XRD和XPS等手段有效的证明了PB被成功负载到了CMC载体上。其对铯离子吸附机理主要是化学离子交换吸附和物理吸附的作用。  3、采用原位合成法制备了CMC-KCuFC复合颗粒吸附剂;批量实验考察了pH、吸附剂用量、接触时间、初始铯离子浓度和共存离子等对CMC-KCuFC复合颗粒吸附性能的影响;采用SEM、FTIR、EDX和XRD等手段对合成的材料进行分析。得出CMC-KCuFC复合微球吸附铯离子的优化条件为:pH为5,吸附剂的量为0.4g/L,吸附时间为600min,温度为298.15K,且在K+、Na+、Ca2+、Mg2+和Li+等阳离子共存条件下,其对铯的分配系数影响大小顺序为:K+>Na+>Ca2+>Mg2+>Li+。1.0mol·L-1 KNO3对铯离子的脱附率最大,其脱附率为36.8%。CMC-KCuFC复合颗粒吸附Cs+的过程符合拟二阶动力学模型,可用Freundlich模型来描述。通过SEM、IR和XRD手段有效的证明了KCuFC被成功负载到了CMC载体上。  4、讨论了柱高、流速和铯离子的浓度对CMC-KCuFC复合颗粒动态吸附的影响,结果表明,穿透点和耗竭点随着柱高的增加而延后,穿透点和耗竭点随着浓度和流速的的升高而缩短。
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