水滑石制备及对铀酰离子的吸附探究方法

摘要

本发明公开了一种水滑石制备及对铀酰离子的吸附探究方法，包括以下步骤：S1：通过合成方法制备水滑石；S2：通过水滑石吸附铀酰离子，并对数据进行分析；S3：通过水滑石吸附铀酰离子后，对铀酰离子浓度进行测试；S4：使用X射线粉末衍射(XRD)测定了试样的晶相结构。采用尿素水热法成功的一步制备了LDH‑N和LDH‑M两种碳酸根插层的水滑石吸附剂，具有较好的结晶度和纯度，其中LDH‑M显示出完美的六边形形状，而LDH‑N显示出薄片堆叠的结构，通过红外和水力学直径表征发现LDH‑N的吸附机理可能是Al‑OH键，M‑O(M＝Ni/Mg)与铀酰离子的内层螯合，而晶型稳定的LDH‑M更倾向于外表面络合。

说明书

技术领域

本发明涉及污染处理技术领域，具体涉及一种水滑石制备及对铀酰离子的吸附探究方法。

背景技术

铀是一种具有微弱放射性的重金属，是核能工业中唯一天然存在的核燃料，但是由于铀矿的开采加工、核废料的不当处置以及核科学技术的发展，使得含铀废水不可避免的排入到周围环境中去，铀在水溶液中主要以六价(Ⅵ)形式存在，具有极高的水溶性，很容易通过动植物转运至人体，对人的骨骼和肾功能造成极大破坏[1]，毒理学研究也增加了遗传毒性和发育缺陷的一些新证据[2]。世界卫生组织规定饮用水中铀含量应低于30μg/L[3]，中国的核工业排放标准为50μg/L[4]，但全世界每年约有10亿吨以上的含铀工业废水产生[5]，因此对含铀工业废水的降浓处理十分有必要。

吸附法因具有操作简单，经济成本低和实用性强的优点而广泛应用于废水处理中，但目前报道的吸附剂存在制备复杂，吸附容量较低的问题，因此合适的吸附剂需要被进一步研究。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种水滑石制备及对铀酰离子的吸附探究方法。

为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种水滑石制备及对铀酰离子的吸附探究方法，其包括以下步骤：

S1：通过合成方法制备水滑石；

S2：通过水滑石吸附铀酰离子，并对数据进行分析；

S3：通过水滑石吸附铀酰离子后，对铀酰离子浓度进行测试；

S4：使用X射线粉末衍射(XRD)测定了试样的晶相结构。

进一步地，步骤S1包括：

S11：Mg6Al2(OH)16CO4·4H2O(记为LDH-N)：分别称取0.03mmolAl(NO3)3·9H2O，0.09mmolMg(NO3)2·6H2O和0.045mmol尿素；

S12：然后依次溶解于装有70mL去离子水的烧杯中，搅拌1h，使离子溶液混合均匀，然后将混合溶液转移到100mL的反应釜中，将烘箱温度设定为120℃、反应24h；

S13：反应结束后，将内胆中的悬浊液取出，然后用去离子水对材料进行离心洗涤，最后置于60℃烘箱干燥48h，得到样品；Ni6Al2(OH)16CO4·4H2O(记为LDH-N)的制备方法和LDH-M一致，镍源使用0.09mmol Ni(NO3)2·6H2O；

S14：烧工艺：在探究煅烧工艺对吸附的影响时，将干燥好的样品装入坩埚中，然后置于管式炉中，设定煅烧时间为3h，煅烧温度为(300-700℃)。

进一步地，步骤S2包括：

S21：吸附容量和移除率计算公式如下：

式中：Q为吸附容量(mg/g)；C0为铀酰离子的初始溶液浓度(mg/L)；Ce为溶液中吸附实验结束后的铀酰离子浓度(mg/L)；V为待吸附油酰溶液的总体积(L)；m为所使用的吸附剂质量(g)；

S22：吸附动力学计算公式如下(线性)：

准一阶动力学方程：Ιn(q

准二阶动力学方程：

式中：qt为t(min)时刻的吸附容量(mg/g)；qe为吸附达到平衡时的吸附容量(mg/g)；k1为准一阶吸附动力学模型的吸附速率常数(min-1)；k2为准二阶吸附动力学模型的吸附速率常数(g·mg-1·min-1)；t为反应时间(min)；

S23：吸附等温线计算公式如下(线性)：

Langmuir模型：

Freundlich模型：

式中：qm为最大理论吸附容量(mg/g)；kL是Langmuir常数(L/mg)，与吸附能有关；kF是Freundlich常数；1/n为无量纲数，表示吸附强度或吸附剂的表面异质性；

无量纲数(RL)表示的是Langmuir模型吸附行为的本质，由下式计算：

S24：吸附热力学计算公式如下：

ΔG＝-R·T·Ιn(k

式中：ΔG为吉布斯自由能的变化(KJ/mol)；ΔH为焓的变化；ΔS为熵的变化；Kd为吸附分配系数；R为理想气体常数，值为8.314J·mol-1·k-1；T为绝对温度。

进一步地，步骤S3包括：

S31：溶液的配置：

称取六水合硝酸油酰(UO2(NO3)2·6H2O)固体0.93g，溶解于装有去离子水的250mL的烧杯中，充分溶解后转移烧杯中的液体到500mL的容量瓶中，摇匀定容至刻度线，所得到的溶液为母液，置于暗处存放，浓度为1g/L，该浓度指的是U(Ⅵ)的溶液浓度，而不是油酰(UO2)离子的浓度；

本实验所用的染色剂为偶氮胂III，溶液配制如下：称取紫黑色固体偶氮胂III0.25g，与U(Ⅵ)溶液的配制操作过程一致，转移到250mL的容量瓶中，配置为1g/L的溶液；

S32：标准曲线的绘制:

将配置好的母液取出一部分，稀释成100mg/L的铀溶液，用移液针吸取体积分别为(100、200、300、400、500)μL的铀溶液，转移到10mL的容量瓶中，然后加入1mL偶氮胂III溶液，用去离子水定容至刻度线，U(Ⅵ)溶液的浓度分别为1、2、3、4、5mg/L，偶氮胂III的浓度为100mg/L，充分摇匀混合溶液后静置20min，将所得到的紫红色溶液进行吸光度测试，波长范围为600-700nm，其测试结果以横坐标为波长(wavelength)，纵坐标为吸光度(absorbance)，绘制标准曲线。

进一步地，步骤S4包括：

S41：使用X射线粉末衍射(XRD)测定了试样的晶相结构(仪器型号：DX2700，实验条件：步进扫描，靶材：铜靶，单色器：石墨单色器，扫描步长：0.05°/Step，计数时间：0.5s，电压：40Kv，电流：30mA)；

S42：利用扫描电子显微镜(SEM)观察了试样的表面形貌(日立，S4800)，采用透射电子显微镜(TEM)观察了试样的精细结构和形貌(JEOL，JEM-2100Plus)，采用傅里叶红外光谱仪(FTIR)分析了试样的官能团组成(Bruker，EQUINOX55)，采用动态光散射激光粒度仪(DLS)测试了试样的水力学直径(Brookhaven，NanoBrook ZetaPALS)，使用能量散射X射线谱(EDX)分析了样品的元素组成(日立，S4800)。

本发明的有益效果为：采用尿素水热法成功的一步制备了LDH-N和LDH-M两种碳酸根插层的水滑石吸附剂，具有较好的结晶度和纯度，其中LDH-M显示出完美的六边形形状，而LDH-N显示出薄片堆叠的结构，通过红外和水力学直径表征发现LDH-N的吸附机理可能是Al-OH键，M-O(M＝Ni/Mg)与铀酰离子的内层螯合，而晶型稳定的LDH-M更倾向于外表面络合。

(2)动力学、等温线和热力学数学模型拟合结果表明LDH-M和LDH-N均为化学吸附控制为主，且为吸热过程，LDH-N属于异质不均匀吸附，LDH-M为表面均匀的单分子层吸附。

(3)吸附工艺探究发现在温度为25℃，pH＝7，吸附剂添加量10mg时，Mg-Al和Ni-Al分别具有65.6mg/g和98.5mg/g的平衡吸附容量，煅烧工艺可以明显提升水滑石对铀酰离子吸附容量。

这些发现表明所制备的水滑石是一种合成简单，吸附容量高的铀酰离子吸附剂，能够很好地用于工业废水中放射性含铀废水的去除。

附图说明

图1为不同浓度U(Ⅵ)溶液的可紫外可见吸收光谱曲线。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

水滑石制备及对铀酰离子的吸附探究方法，其包括以下步骤：

S1：通过合成方法制备水滑石；包括：

S11：Mg6Al2(OH)16CO4·4H2O(记为LDH-N)：分别称取0.03mmolAl(NO3)3·9H2O，0.09mmolMg(NO3)2·6H2O和0.045mmol尿素；

S12：然后依次溶解于装有70mL去离子水的烧杯中，搅拌1h，使离子溶液混合均匀，然后将混合溶液转移到100mL的反应釜中，将烘箱温度设定为120℃、反应24h；

S13：反应结束后，将内胆中的悬浊液取出，然后用去离子水对材料进行离心洗涤，最后置于60℃烘箱干燥48h，得到样品；Ni6Al2(OH)16CO4·4H2O(记为LDH-N)的制备方法和LDH-M一致，镍源使用0.09mmol Ni(NO3)2·6H2O；

S14：烧工艺：在探究煅烧工艺对吸附的影响时，将干燥好的样品装入坩埚中，然后置于管式炉中，设定煅烧时间为3h，煅烧温度为(300-700℃)。

S2：通过水滑石吸附铀酰离子，并对数据进行分析；包括：

S21：吸附容量和移除率计算公式如下：

式中：Q为吸附容量(mg/g)；C0为铀酰离子的初始溶液浓度(mg/L)；Ce为溶液中吸附实验结束后的铀酰离子浓度(mg/L)；V为待吸附油酰溶液的总体积(L)；m为所使用的吸附剂质量(g)；

S22：吸附动力学计算公式如下(线性)：

准一阶动力学方程：Ιn(q

准二阶动力学方程：

式中：qt为t(min)时刻的吸附容量(mg/g)；qe为吸附达到平衡时的吸附容量(mg/g)；k1为准一阶吸附动力学模型的吸附速率常数(min-1)；k2为准二阶吸附动力学模型的吸附速率常数(g·mg-1·min-1)；t为反应时间(min)；

S23：吸附等温线计算公式如下(线性)：

Langmuir模型：

Freundlich模型：

式中：qm为最大理论吸附容量(mg/g)；kL是Langmuir常数(L/mg)，与吸附能有关；kF是Freundlich常数；1/n为无量纲数，表示吸附强度或吸附剂的表面异质性；

无量纲数(RL)表示的是Langmuir模型吸附行为的本质，由下式计算：

S24：吸附热力学计算公式如下：

ΔG＝-R·T·Ιn(k

式中：ΔG为吉布斯自由能的变化(KJ/mol)；ΔH为焓的变化；ΔS为熵的变化；Kd为吸附分配系数；R为理想气体常数，值为8.314J·mol-1·k-1；T为绝对温度。

S3：通过水滑石吸附铀酰离子后，对铀酰离子浓度进行测试；包括：

S31：溶液的配置：

称取六水合硝酸油酰(UO2(NO3)2·6H2O)固体0.93g，溶解于装有去离子水的250mL的烧杯中，充分溶解后转移烧杯中的液体到500mL的容量瓶中，摇匀定容至刻度线，所得到的溶液为母液，置于暗处存放，浓度为1g/L，该浓度指的是U(Ⅵ)的溶液浓度，而不是油酰(UO2)离子的浓度；

本实验所用的染色剂为偶氮胂III，溶液配制如下：称取紫黑色固体偶氮胂III0.25g，与U(Ⅵ)溶液的配制操作过程一致，转移到250mL的容量瓶中，配置为1g/L的溶液；

S32：标准曲线的绘制:

将配置好的母液取出一部分，稀释成100mg/L的铀溶液，用移液针吸取体积分别为(100、200、300、400、500)μL的铀溶液，转移到10mL的容量瓶中，然后加入1mL偶氮胂III溶液，用去离子水定容至刻度线，U(Ⅵ)溶液的浓度分别为1、2、3、4、5mg/L，偶氮胂III的浓度为100mg/L，充分摇匀混合溶液后静置20min，将所得到的紫红色溶液进行吸光度测试，波长范围为600-700nm，其测试结果以横坐标为波长(wavelength)，纵坐标为吸光度(absorbance)，绘制标准曲线，如图1所示。

S4：使用X射线粉末衍射(XRD)测定了试样的晶相结构；包括：

S41：使用X射线粉末衍射(XRD)测定了试样的晶相结构(仪器型号：DX2700，实验条件：步进扫描，靶材：铜靶，单色器：石墨单色器，扫描步长：0.05°/Step，计数时间：0.5s，电压：40Kv，电流：30mA)；

S42：利用扫描电子显微镜(SEM)观察了试样的表面形貌(日立，S4800)，采用透射电子显微镜(TEM)观察了试样的精细结构和形貌(JEOL，JEM-2100Plus)，采用傅里叶红外光谱仪(FTIR)分析了试样的官能团组成(Bruker，EQUINOX55)，采用动态光散射激光粒度仪(DLS)测试了试样的水力学直径(Brookhaven，NanoBrook ZetaPALS)，使用能量散射X射线谱(EDX)分析了样品的元素组成(日立，S4800)。

采用尿素水热法成功的一步制备了LDH-N和LDH-M两种碳酸根插层的水滑石吸附剂，具有较好的结晶度和纯度，其中LDH-M显示出完美的六边形形状，而LDH-N显示出薄片堆叠的结构，通过红外和水力学直径表征发现LDH-N的吸附机理可能是Al-OH键，M-O(M＝Ni/Mg)与铀酰离子的内层螯合，而晶型稳定的LDH-M更倾向于外表面络合。

(2)动力学、等温线和热力学数学模型拟合结果表明LDH-M和LDH-N均为化学吸附控制为主，且为吸热过程，LDH-N属于异质不均匀吸附，LDH-M为表面均匀的单分子层吸附。

(3)吸附工艺探究发现在温度为25℃，pH＝7，吸附剂添加量10mg时，Mg-Al和Ni-Al分别具有65.6mg/g和98.5mg/g的平衡吸附容量，煅烧工艺可以明显提升水滑石对铀酰离子吸附容量。

这些发现表明所制备的水滑石是一种合成简单，吸附容量高的铀酰离子吸附剂，能够很好地用于工业废水中放射性含铀废水的去除。