地学前缘 ›› 2022, Vol. 29 ›› Issue (3): 217-226.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.1.30
崔迪1(), 杨冰2, 郭华明1,*(
), 连国玺2, 孙娟2
收稿日期:
2021-12-02
修回日期:
2022-01-21
出版日期:
2022-05-25
发布日期:
2022-04-28
通信作者:
郭华明
作者简介:
崔 迪(1996—),女,硕士研究生,水文地质学专业。E-mail: 15972112240@163.com
基金资助:
CUI Di1(), YANG Bing2, GUO Huaming1,*(
), LIAN Guoxi2, SUN Juan2
Received:
2021-12-02
Revised:
2022-01-21
Online:
2022-05-25
Published:
2022-04-28
Contact:
GUO Huaming
摘要:
地浸铀矿山退役后,含水层中残留的含铀浸出液随着地下水的运动向下游迁移扩散,存在对周边地下水污染的风险。本文设计了若干组批实验和柱实验,研究铀在北方某地浸铀矿山砂岩含水介质中的吸附和迁移行为。实验结果表明,砂岩对铀的吸附在12 h以内达到平衡,铀初始浓度越高,砂岩的铀吸附容量越大;砂岩对铀的吸附为吸热反应,温度升高有利于吸附反应的进行。溶液pH值和共存
中图分类号:
崔迪, 杨冰, 郭华明, 连国玺, 孙娟. 砂岩含水介质中铀的吸附和迁移行为研究[J]. 地学前缘, 2022, 29(3): 217-226.
CUI Di, YANG Bing, GUO Huaming, LIAN Guoxi, SUN Juan. Adsorption and transport of uranium in porous sandstone media[J]. Earth Science Frontiers, 2022, 29(3): 217-226.
柱编号 | pH值 | 铀浓度/ (mg·L-1) | 流速/ (mL·min-1) | (mmol·L-1) | |
---|---|---|---|---|---|
1 | 4 | 2 | 0.1 | 0 | |
2 | 7 | 2 | 0.1 | 0 | |
3 | 8.5 | 2 | 0.1 | 0 | |
4 | 7 | 1 | 0.1 | 0 | |
5 | 7 | 5 | 0.1 | 0 | |
6 | 7 | 2 | 0.5 | 0 | |
7 | 7 | 2 | 0.3 | 0 | |
8 | 7 | 2 | 0.1 | 0.5 | |
9 | 7 | 2 | 0.1 | 1.0 |
表1 柱实验条件
Table 1 Experimental conditions in column experiments
柱编号 | pH值 | 铀浓度/ (mg·L-1) | 流速/ (mL·min-1) | (mmol·L-1) | |
---|---|---|---|---|---|
1 | 4 | 2 | 0.1 | 0 | |
2 | 7 | 2 | 0.1 | 0 | |
3 | 8.5 | 2 | 0.1 | 0 | |
4 | 7 | 1 | 0.1 | 0 | |
5 | 7 | 5 | 0.1 | 0 | |
6 | 7 | 2 | 0.5 | 0 | |
7 | 7 | 2 | 0.3 | 0 | |
8 | 7 | 2 | 0.1 | 0.5 | |
9 | 7 | 2 | 0.1 | 1.0 |
柱号 | 饱和含 水率θ | 流速 v/(cm·min-1) | 弥散系数 D/(cm2·min-1) | 弥散度 λ/cm | R2 |
---|---|---|---|---|---|
1 | 0.333 | 0.309 | 0.011 | 0.034 | 0.998 |
2 | 0.411 | 0.308 | 0.012 | 0.037 | 0.998 |
3 | 0.457 | 0.270 | 0.009 | 0.034 | 0.993 |
4 | 0.342 | 0.330 | 0.028 | 0.085 | 0.982 |
5 | 0.346 | 0.342 | 0.018 | 0.053 | 0.995 |
6 | 0.420 | 0.959 | 0.087 | 0.091 | 0.999 |
7 | 0.389 | 0.585 | 0.011 | 0.019 | 0.993 |
8 | 0.405 | 0.297 | 0.021 | 0.072 | 0.985 |
9 | 0.447 | 0.287 | 0.018 | 0.064 | 0.999 |
表2 水力学特征参数
Table 2 Characteristic hydraulic parameters
柱号 | 饱和含 水率θ | 流速 v/(cm·min-1) | 弥散系数 D/(cm2·min-1) | 弥散度 λ/cm | R2 |
---|---|---|---|---|---|
1 | 0.333 | 0.309 | 0.011 | 0.034 | 0.998 |
2 | 0.411 | 0.308 | 0.012 | 0.037 | 0.998 |
3 | 0.457 | 0.270 | 0.009 | 0.034 | 0.993 |
4 | 0.342 | 0.330 | 0.028 | 0.085 | 0.982 |
5 | 0.346 | 0.342 | 0.018 | 0.053 | 0.995 |
6 | 0.420 | 0.959 | 0.087 | 0.091 | 0.999 |
7 | 0.389 | 0.585 | 0.011 | 0.019 | 0.993 |
8 | 0.405 | 0.297 | 0.021 | 0.072 | 0.985 |
9 | 0.447 | 0.287 | 0.018 | 0.064 | 0.999 |
U初始浓度/ (mg·L-1) | 实验q'e/ (102 mg·g-1) | 准一级动力学 | 准二级动力学 | |||
---|---|---|---|---|---|---|
R2 | qe/(102 mg·g-1) | k2/(g·mg-1·h-1) | R2 | |||
1 | 2.763 | 0.237 | 2.794 | 69.973 | 0.997 | |
2 | 5.268 | 0.443 | 5.357 | 24.928 | 0.993 | |
5 | 22.555 | 0.338 | 22.367 | 12.562 | 0.999 |
表3 准一级和准二级动力学模型拟合参数表
Table 3 Parameters of psudo first order and psudo second order kinetic models for uranium adsorption on sandstone
U初始浓度/ (mg·L-1) | 实验q'e/ (102 mg·g-1) | 准一级动力学 | 准二级动力学 | |||
---|---|---|---|---|---|---|
R2 | qe/(102 mg·g-1) | k2/(g·mg-1·h-1) | R2 | |||
1 | 2.763 | 0.237 | 2.794 | 69.973 | 0.997 | |
2 | 5.268 | 0.443 | 5.357 | 24.928 | 0.993 | |
5 | 22.555 | 0.338 | 22.367 | 12.562 | 0.999 |
温度/℃ | Langmuir等温吸附方程 | Freundlich等温吸附方程 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
KL | qmax | R2 | KF | 1/n | R2 | ||
10 | 4.309 | 0.088 | 0.990 | 0.076 | 0.582 | 0.979 | |
25 | 7.276 | 0.070 | 0.980 | 0.076 | 0.553 | 0.994 | |
35 | 10.263 | 0.085 | 0.992 | 0.088 | 0.500 | 0.978 | |
45 | 30.325 | 0.105 | 0.994 | 0.149 | 0.453 | 0.969 |
表4 Langmuir和Freundlich等温吸附模型拟合参数
Table 4 Langmuir and Freundlich constants for uranium adsorption on sandstone at different temperatures
温度/℃ | Langmuir等温吸附方程 | Freundlich等温吸附方程 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
KL | qmax | R2 | KF | 1/n | R2 | ||
10 | 4.309 | 0.088 | 0.990 | 0.076 | 0.582 | 0.979 | |
25 | 7.276 | 0.070 | 0.980 | 0.076 | 0.553 | 0.994 | |
35 | 10.263 | 0.085 | 0.992 | 0.088 | 0.500 | 0.978 | |
45 | 30.325 | 0.105 | 0.994 | 0.149 | 0.453 | 0.969 |
T/℃ | KL | ΔG0/ (kJ·mol-1) | ΔH0/ (kJ·mol-1) | ΔS0/ (J·mol-1·K-1) |
---|---|---|---|---|
10 | 4.31 | -3.44 | 7.10 | 37.23 |
25 | 7.28 | -4.92 | 40.32 | |
35 | 10.26 | -5.96 | 42.40 | |
45 | 30.33 | -9.02 | 50.69 |
表5 热力学模型拟合参数
Table 5 Thermodynamic parameters for uranium adsorption on sandstone
T/℃ | KL | ΔG0/ (kJ·mol-1) | ΔH0/ (kJ·mol-1) | ΔS0/ (J·mol-1·K-1) |
---|---|---|---|---|
10 | 4.31 | -3.44 | 7.10 | 37.23 |
25 | 7.28 | -4.92 | 40.32 | |
35 | 10.26 | -5.96 | 42.40 | |
45 | 30.33 | -9.02 | 50.69 |
图4 不同条件下的铀穿透曲线
Fig.4 Breakthrough curves of uranium adsorption in sandstone columns under different conditions a—CU=2 mg/L, Q=0.1 mL/min, C H C O 3 -=0; b—pH=7, Q=0.1 mL/min, C H C O 3 -=0 mmol/L; c—pH=7, CU=2 mg/L, C H C O 3 -=0; and d—pH=7, CU=2 mg/L, Q=0.1 mL/min。
条件 | k'd/(mL·g-1) | ω/(103 min-1) | R2 |
---|---|---|---|
pH=4 | 9.82 | 1.720 | 0.995 |
pH=7 | 117 | 0.182 | 0.997 |
CU=1 mg/L | 159 | 0.122 | 0.936 |
CU=2 mg/L | 117 | 0.182 | 0.997 |
CU=5 mg/L | 23.9 | 0.828 | 0.989 |
流速0.1 mL/min | 117 | 0.182 | 0.974 |
流速0.3 mL/min | 49.5 | 0.604 | 0.977 |
流速0.5 mL/min | 39.5 | 1.228 | 0.997 |
| 117 | 0.182 | 0.997 |
| 58.9 | 0.483 | 0.996 |
| 48.1 | 4.759 | 0.964 |
表6 模型拟合参数及拟合度系数
Table 6 The fitted parameters of breakthrough curves of uranium adsorption in sandstone column
条件 | k'd/(mL·g-1) | ω/(103 min-1) | R2 |
---|---|---|---|
pH=4 | 9.82 | 1.720 | 0.995 |
pH=7 | 117 | 0.182 | 0.997 |
CU=1 mg/L | 159 | 0.122 | 0.936 |
CU=2 mg/L | 117 | 0.182 | 0.997 |
CU=5 mg/L | 23.9 | 0.828 | 0.989 |
流速0.1 mL/min | 117 | 0.182 | 0.974 |
流速0.3 mL/min | 49.5 | 0.604 | 0.977 |
流速0.5 mL/min | 39.5 | 1.228 | 0.997 |
| 117 | 0.182 | 0.997 |
| 58.9 | 0.483 | 0.996 |
| 48.1 | 4.759 | 0.964 |
条件 | 柱实验分配系数 k'd/(mL·g-1) | 批实验分配系数 kd/(mL·g-1) |
---|---|---|
pH=4 | 9.81 | 65.1 |
pH=7 | 117 | 637 |
CU=1 mg/L | 159 | 189 |
CU=2 mg/L | 117 | 133 |
CU=5 mg/L | 23.9 | 55.5 |
| 117 | 133 |
| 58.9 | 83.1 |
| 48.1 | 69.0 |
表7 柱实验和批实验分配系数对比
Table 7 Partition coefficients from column and batch experiments
条件 | 柱实验分配系数 k'd/(mL·g-1) | 批实验分配系数 kd/(mL·g-1) |
---|---|---|
pH=4 | 9.81 | 65.1 |
pH=7 | 117 | 637 |
CU=1 mg/L | 159 | 189 |
CU=2 mg/L | 117 | 133 |
CU=5 mg/L | 23.9 | 55.5 |
| 117 | 133 |
| 58.9 | 83.1 |
| 48.1 | 69.0 |
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