地学前缘 ›› 2021, Vol. 28 ›› Issue (5): 175-185.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.21
张卫民1,2(), 王振2,*(
), 钱程2, 郭亚丹2, 刘海燕2
收稿日期:
2020-05-21
修回日期:
2020-08-18
出版日期:
2021-09-25
发布日期:
2021-10-29
通信作者:
王振
作者简介:
张卫民(1965—),男,博士,教授,主要从事水文地质和地下水污染控制与修复等方面的教学与科研工作。E-mail: wmzhang@ecit.cn
基金资助:
ZHANG Weimin1,2(), WANG Zhen2,*(
), QIAN Cheng2, GUO Yadan2, LIU Haiyan2
Received:
2020-05-21
Revised:
2020-08-18
Online:
2021-09-25
Published:
2021-10-29
Contact:
WANG Zhen
摘要:
铀污染地下水分布于世界多国,其危害备受关注。本文基于溶胶-凝胶法制备方解石负载羟基磷灰石复合材料(CLHC),通过静态与动态对比试验,探讨了PRB活性介质对水中铀离子的吸附机理和去除效果。试验结果表明,制备的CLHC表面被羟基磷灰石覆盖,对铀离子具有较强的吸附能力。当U的初浓度为5.0 mg/L、试验周期为2 h、溶液pH值为4、CLHC用量为0.5 g/L时,CLHC可以吸附水中所有的铀离子。CLHC对铀离子的吸附过程可以用Langmuir等温吸附模型、粒子内扩散吸附动力学模型和准二级吸附动力学模型较好地进行描述。石英砂负载羟基磷灰石与CLHC相比,后者具有更强的吸附能力,而且具有更长的使用寿命。CLHC在吸附铀的过程中没有价态变化,其对铀离子的吸附主要为离子交换的化学吸附。本研究的成果可为可渗透反应墙被应用于铀污染地下水修复提供试验依据。
中图分类号:
张卫民, 王振, 钱程, 郭亚丹, 刘海燕. 方解石负载羟基磷灰石复合材料去除水中铀离子的PRB活性介质研究[J]. 地学前缘, 2021, 28(5): 175-185.
ZHANG Weimin, WANG Zhen, QIAN Cheng, GUO Yadan, LIU Haiyan. An activated calcite-loaded hydroxyapatite PRB media for uranium ion removal from aqueous solution[J]. Earth Science Frontiers, 2021, 28(5): 175-185.
试验条件 | 单位 | 取值 | 方法 |
---|---|---|---|
CLHC用量 | g·L-1 | 0.3,0.5,0.7,0.9,1.0 | 25 ℃恒温气浴,167 r/min震荡,震荡时间为4 h,U初始浓度为5.0 mg·L-1 |
溶液pH值 | 2.0,3.0,4.0,5.5,6.5,7.5 | ||
试验周期 | min | 10,30,60,90,120,180,240 | |
U的初始浓度 | mg·L-1 | 2,5,7,9,11 |
表1 静态试验参数
Table 1 Experimental parameters for the static tests
试验条件 | 单位 | 取值 | 方法 |
---|---|---|---|
CLHC用量 | g·L-1 | 0.3,0.5,0.7,0.9,1.0 | 25 ℃恒温气浴,167 r/min震荡,震荡时间为4 h,U初始浓度为5.0 mg·L-1 |
溶液pH值 | 2.0,3.0,4.0,5.5,6.5,7.5 | ||
试验周期 | min | 10,30,60,90,120,180,240 | |
U的初始浓度 | mg·L-1 | 2,5,7,9,11 |
浓度 | FODM参数 | SODM参数 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Qe/ (mg·g-1) | a1/ min-1 | R2 | Qe/ (mg·g-1) | a2/ (g·mg-1·min-1) | R2 | ||
5 mg·L-1 | 4.36 | 0.02 | 0.96 | 10.4 | 0.01 | 0.99 |
表2 FODM和SODM拟合特征参数
Table 2 Characteristic fitting parameters using FODM and SODM
浓度 | FODM参数 | SODM参数 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Qe/ (mg·g-1) | a1/ min-1 | R2 | Qe/ (mg·g-1) | a2/ (g·mg-1·min-1) | R2 | ||
5 mg·L-1 | 4.36 | 0.02 | 0.96 | 10.4 | 0.01 | 0.99 |
温度 | LIAM | FIAM | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
qm/ (mg·g-1) | KL/ (L·mg-1) | R2 | KF/ (L·mg-1) | 1/n | R2 | ||
26 ℃ | 11.7 | 1.37 | 0.995 | 8.52 | 0.107 | 0.871 |
表3 LIAM和FIAM拟合特征参数
Table 3 Characteristic fitting parameters using LIAM and FIAM
温度 | LIAM | FIAM | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
qm/ (mg·g-1) | KL/ (L·mg-1) | R2 | KF/ (L·mg-1) | 1/n | R2 | ||
26 ℃ | 11.7 | 1.37 | 0.995 | 8.52 | 0.107 | 0.871 |
图5 Langmuir等温吸附模型和Freundlich等温吸附模型拟合结果
Fig.5 Fitting results with (a) the langmuir isothermal adsorption model (LIAM) or (b) the freundlich isothermal adsorption model (FIAM)
编号 | CLHC | U的初始浓度/ (mg·L-1) | 流量/ (L·h-1) | pH值 | 穿透时间点 | 耗竭时间点 | 间隔/h |
---|---|---|---|---|---|---|---|
A | 方解石 | 5.0 | 0.32 | 4.0 | 107 h时 | 624 h时 | 516 |
B | 石英砂 | 5.0 | 0.32 | 4.0 | 101 h时 | 581 h时 | 482 |
表4 A、B动态柱试验参数的统计表
Table 4 Statistical table of test parameters for dynamic columns A and B
编号 | CLHC | U的初始浓度/ (mg·L-1) | 流量/ (L·h-1) | pH值 | 穿透时间点 | 耗竭时间点 | 间隔/h |
---|---|---|---|---|---|---|---|
A | 方解石 | 5.0 | 0.32 | 4.0 | 107 h时 | 624 h时 | 516 |
B | 石英砂 | 5.0 | 0.32 | 4.0 | 101 h时 | 581 h时 | 482 |
编号 | U的初始浓度/ (mg·L-1) | 流速/ (L·h-1) | 总时间/ h | CLHC用 量/g | 柱吸附U的 总量/g | 柱饱和单位 吸附量/ (mg·g-1) | 柱总流 量/L | 进液总U 量/g |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
A | 5.0 | 0.32 | 627 | 29.8 | 0.42 | 14.3 | 197 | 0.99 |
B | 5.0 | 0.32 | 557 | 29.1 | 0.36 | 12.5 | 183 | 0.91 |
表5 A柱和B柱的参数表
Table 5 Parameters of Columns A and B
编号 | U的初始浓度/ (mg·L-1) | 流速/ (L·h-1) | 总时间/ h | CLHC用 量/g | 柱吸附U的 总量/g | 柱饱和单位 吸附量/ (mg·g-1) | 柱总流 量/L | 进液总U 量/g |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
A | 5.0 | 0.32 | 627 | 29.8 | 0.42 | 14.3 | 197 | 0.99 |
B | 5.0 | 0.32 | 557 | 29.1 | 0.36 | 12.5 | 183 | 0.91 |
图8 方解石吸附前(a)和吸附后(c)及CLHC吸附前(b)和吸附后(d)的扫描电镜图
Fig.8 Results of scanning electron microscopy. (a) Calcite before adsorption; (b) CLHC before adsorption;(c) Calcite after adsorption; (b) CLHC after adsorption.
图9 方解石吸附前(a,b)与吸附后(c,d)的能谱图
Fig.9 EDS spectra and scanning electron micrographs showing the sampling spots for calcite before (a, b) and after (c, d) adsorption
图10 CLHC吸附前(a,b)与吸附后(c,d)的能谱图
Fig.10 EDS spectra and scanning electron micrographs showing the sampling spots for CLHD before (a, b) and after (c, d) adsorption
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