大蒜渣生物质材料对铀的吸附性能研究

王 扬，牛 洁，徐乐昌

(核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

大蒜经过提取大蒜素、大蒜油等有效成分后剩余的残渣称为大蒜废弃物或大蒜渣，据统计大蒜原料经提取有效成分后，剩余99.5%的大蒜渣被抛弃[1]。这样既不环保也浪费资源，研究大蒜渣的综合再利用具有实际意义。以大蒜渣为原料，用水热法制备的大蒜皮基多孔炭材料，对二氧化碳具有良好的吸附性能[2]；将纳米零价铁负载于大蒜渣中，得到的材料对含铜废水的处理效果优良[3]。

铀是一种天然放射性核素，在铀矿开采、核燃料制备等过程中会产生大量含铀废水，尤其是对成分复杂的低浓度含铀废水难以有效处理。常见的含铀废水处理方法有物理法、化学法、生物法等[4-6]；多孔介质吸附作为其中常用的一种处理方法，具有成本低、效率高和二次污染小等优点，吸附所需的生物质材料[7-8]更是具有来源广泛、制备简单的特点。大蒜渣作为这样一种生物质材料，将其应用于含铀废水的处理中，并研究其反应过程及现象，对优化含铀废水处理方法有着重要的意义。

1 试验部分

1.1 试验原料

铀溶液：铀质量浓度48 g/L，取自树脂吸附法产生的铀淋洗液。某地实际含铀水样：铀质量浓度为2 mg/L，pH=6.5。大蒜渣生物质原料(DSZ)：用自来水将大蒜废弃物清洗干净，去除泥土等杂质，置于鼓风干燥箱中在60～70 ℃下烘干24 h，再将其磨碎待用。

1.2 试验设备

LE104E型分析天平；YC-R50型恒温振荡器；BT100L-CE型蠕动泵；101-3AB型电热鼓风干燥箱；φ内30×300 mm有机玻璃柱；PHSJ-3F型pH计；79-1型磁力加热搅拌器；艾本德移液器。

1.3 试验方法

1.3.1 静态试验方法

准确称取一定量的DSZ材料置于250 mL锥形瓶中，倒入100 mL用铀溶液配制的吸附原液，设定反应温度和振荡时间，反应结束后取出样品过滤，分析滤液的铀浓度。

1.3.2 柱试验方法

准确称取30 g DSZ，装入有机玻璃柱中，泵入某地实际含铀水样，排出柱中材料夹杂的气体。通过蠕动泵以5 mL/min的流速连续进液，等时间间隔收集流出液并分析流出液的铀浓度，以通过吸附柱的体积倍数(BV)为单位计算铀吸附量及工作容量。

2 试验结果与讨论

2.1 静态吸附试验

2.1.1 铀溶液pH对DSZ吸附铀的影响

试验条件：铀溶液初始质量浓度为100 mg/L，固液比为5 g/L，接触时间为30 min，将铀溶液pH分别调至3.81、5.01、6.04、7.70，吸附尾液pH及铀质量浓度见表1。从表1可看出：吸附前后，溶液的pH变化不大；当吸附原液pH=6.04时，DSZ的除铀效果最好，吸附率达82%，确定适宜的pH为6。

表1 不同pH条件下DSZ除铀效果

2.1.2 接触反应时间对DSZ吸附铀的影响

试验条件：铀溶液初始质量浓度为100 mg/L，pH=6，固液比为5 g/L，反应温度为20 ℃，接触反应时间设定为10、20、30、40、50、60、90、120 min。不同接触时间下DSZ对铀的去除效果如图1所示。

由图1可看出，随着反应时间的延长，铀去除率逐渐上升；但吸附速率随着时间的延长而渐缓。这说明吸附历程由表面吸附进入了内部吸附，后阶段历时较长效率较低，再增加接触时间对去除率影响不大，确定接触反应时间以60 min为宜。

2.1.3 反应温度对DSZ吸附铀的影响

试验条件：铀溶液初始质量浓度为100 mg/L，pH=6，固液比为5 g/L，接触反应时间为60 min，分别设定温度为15、20、30、40、50 ℃。反应后尾液铀质量浓度随温度的变化情况如图2所示。

由图2可看出，随着反应温度升高，铀去除率不断下降，吸附效果变差。这说明DSZ对铀的吸附反应为放热过程，以物理吸附为主。当温度在15～20 ℃时，铀去除率变化不大，考虑室温多高于20 ℃，因此确定操作温度以20 ℃为宜。

2.1.4 固液比对DSZ吸附铀的影响

试验条件：铀溶液初始质量浓度 100 mg/L，pH=6，分别称取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0 g DSZ投入到锥形瓶中，倒入100 mL吸附原液，接触反应时间为60 min，温度为20 ℃。反应后尾液铀质量浓度及DSZ吸附量随固液比的变化情况如图3所示。

由图3可看出，吸附剂用量越多，能够提供吸附铀离子的官能团及吸附点位越多，增加了材料与铀离子反应的机会，铀去除率越高。随着吸附剂用量的增加，表面吸附效率降低，吸附量随之下降。固液比过低，铀不能被有效去除；固液比过高，吸附材料不能得到充分利用。当固液比超过5 g/L时，铀去除率变化不大，说明铀基本被吸附完全，再增加固体投加量意义不大，因此固液比为5 g/L为宜。

2.1.5 初始铀质量浓度对DSZ吸附铀的影响

试验条件：称取0.5 g DSZ投入100 mL、pH=6的铀溶液中，铀溶液初始浓度分别为20、40、60、80、100 mg/L，反应温度设定为20 ℃，接触时间为60 min。反应结束后铀去除率及DSZ吸附量随铀溶液初始浓度的变化情况如图4所示。

由图4可看出，随着溶液中铀初始质量浓度的增加，DSZ对铀的吸附量逐渐增大。这是由于初始浓度的增加使反应的平衡推动力增大，随着反应的进行，材料活性点位不断被占据，吸附过程趋于饱和。初始铀浓度越高的溶液中残余的铀离子数量越多，铀去除率越低。

2.2 动态柱试验

以某地实际水样为柱试验进水，考察在较低铀浓度下材料的吸附能力及操作性能。动态柱试验装置由原水储存容器、泵管、蠕动泵、有机玻璃柱、出水收集装置等组成，有机玻璃柱中填充大蒜渣30 g，约180 mL。连续运转并定期监测出水流速变化情况，流出液铀浓度随过柱液体积的变化见表2。

动态柱试验采用下进液方式，稳定运行192 h后，流出液铀质量浓度上升至1.86 mg/L，认为DSZ基本吸附饱和，此时工作容量达到2.4 mg/g，操作性能良好。

由于实际水样铀浓度低、成分复杂，反应过程中受杂质占位和平衡推动力较小等因素的影响，使得动态柱试验中DSZ材料的工作容量有所下降。

表2 柱出水铀质量浓度随时间变化

3 结论

铀溶液pH对DSZ的吸附效果影响较大，当溶液pH为5～6时，DSZ对铀的吸附去除率最高。较适宜的静态反应条件为接触反应时间60 min，反应温度20 ℃，固液质量体积比5 g/L；当铀初始浓度在20～100 mg/L范围内时，定量DSZ材料随铀初始浓度的增大，对溶液中铀的吸附量升高，但去除率降低。动态柱试验在初始铀质量浓度为2 mg/L的条件下，稳定运行了192 h，吸附容量达到2.4 mg/g，DSZ处理低浓度含铀废水效果显著。DSZ作为优质的生物质材料，对其进行碳化、修饰或改性处理后，有望进一步提高其对铀的处理效果。