棕榈纤维生物炭的制备及其对U（Ⅵ）的吸附性能①

李殿鑫，阳亦青，肖思友，张 鹏

（六盘水师范学院 矿业与土木工程学院，贵州 六盘水 553004）

铀矿山等工业场地及其周边的铀污染问题较为严峻［1］。U（Ⅵ）是铀迁移中主要的形态，应对其进行重点治理［2］。生物吸附法是目前修复水中U（Ⅵ）污染的主要方法之一，具有材料来源广泛、成本低廉、无二次污染等优势，应用前景广泛［3－5］。生物炭是生物吸附材料的一种，既可以用于吸附重金属，又可以解决植物残渣堆积问题，目前已成为U（Ⅵ）吸附的研究热点［6］。

棕榈纤维是棕榈科植物产生的天然纤维。本文采集某棕榈树纤维，通过高温缺氧焙烧，制备了棕榈纤维生物炭（PFC）［7－8］，并通过KOH和微波辐照改性，合成了K-M-PFC，用于水中U（Ⅵ）的生物吸附。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料及仪器设备

主要实验试剂：偶氮胂Ⅲ、氢氧化钾、氢氧化钠，均为分析纯；浓硝酸、浓盐酸，均为优级纯。以上试剂均购自国药集团化学试剂有限公司。

棕榈纤维：采集于六盘水师范学院某棕榈树。

模拟含铀污染地下水：按照实际铀污染地下水的主要地球化学参数配置，并加铀标准溶液将U（Ⅵ）浓度调节至1～15 mg／L，备用。

主要仪器设备：智能马弗炉（长沙开元仪器股份有限公司，5E－MF6100），烘箱（红杉实验设备厂，WJ101－3），变频微波炉（广东美的厨房电器制造有限公司，M3－L231F），多参数分析仪（上海仪电科学仪器股份有限公司，DZS－708L），紫外可见光分光光度计（上海佑科仪器仪表有限公司，752 N），扫描电子显微镜（SEM，美国FEI QUANTA400FEG），元素分析仪（德国EA3000），傅里叶红外光谱仪（FTIR，布鲁克VERTEX70）。

1.2 K-M-PFC的合成

具体操作步骤如下：①将采集的棕榈纤维剪成5 mm小段，并用去离子水洗涤以去除杂质，在鼓风干燥箱中110℃下烘干，置于马弗炉中缺氧碳化（20℃／min升高至550℃，并保持4 h），得到棕榈纤维生物炭基底材料PFC；②将PFC在浓度10%的KOH溶液中浸泡24 h，并用去离子水反复洗涤至中性，在鼓风干燥箱中110℃下烘干，得到K-PFC；③将K-PFC在900 W微波下辐照2 min，得到K-M-PFC。

1.3 表 征

为研究K-M-PFC的吸附机理，分别对K-M-PFC吸附U（Ⅵ）前后的样品进行形貌观察、化学成分分析、FTIR表征（光谱的采集范围400～4 000 cm－1）。

1.4 单因素吸附实验

通过单因素吸附实验，研究pH值、反应时间、U（Ⅵ）初始浓度、吸附剂用量等因素对K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影响。将30 mL加铀标模拟地下水（1、2、5、10或15 mg／L）置于50 mL离心管中，并用1 mol／L的HCl或NaOH溶液调节模拟地下水的初始pH值。将离心管置于摇床中，在180 r／min、30℃下反应一定时间。

U（Ⅵ）吸附量q（mg／g）、吸附率R（%）分别通过公式（1）和（2）计算：

式中C0和Ce分别为U（Ⅵ）的初始浓度和平衡浓度，mg／L；V为U（Ⅵ）溶液体积，mL；m为吸附剂质量，mg。

2 实验结果和讨论

2.1 样品SEM表征

样品SEM图谱如图1所示。从图1可以看出，PFC为管状多孔结构，表面和孔内有很多杂质。经KOH和微波辐照改性后得到的K-M-PFC样品中，其孔内和表面的杂质大多数被清除，比表面积明显变大［9］。

图1 样品SEM图谱

样品FTIR光谱图如图2所示。从图2看出，改性前，PFC样品在3 417.25 cm－1处存在—OH、N—H伸缩振动特征峰、1 582.85 cm－1处存在N—H弯曲振动特征峰、1 422.69 cm－1处存在C—H弯曲振动特征峰、1 040.90 cm－1处存在C—N、C—O伸缩振动特征峰、779.18 cm－1处存在C—H、N—H弯曲振动特征峰［10］；KOH和微波辐照改性后，这些特征峰均发生了偏移，并在880.40 cm－1处出现了N—H、C—N弯曲振动特征峰［11］。

图2 样品FTIR表征

样品元素分析结果如表1所示。PFC含碳量为47.93%，含氧量为48.02%；经KOH和微波辐照改性后，K-M-PFC含碳量升至49.89%，含氧量降至46.44%。表明经KOH和微波辐照改性去除了PFC的含氧杂质［12］。

表1 元素分析结果

2.2 单因素吸附实验

2.2.1 pH值的影响

固定K-M-PFC加入量0.233 g／L、溶液U（Ⅵ）初始浓度10 mg／L、吸附时间120 min、吸附温度30℃，pH值对K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影响见图3。从图3可以看出，pH＜5时，随着pH值增大，K-M-PFC对U（Ⅵ）的吸附量增加；pH＞5时，随着pH值增大，K-M-PFC对U（Ⅵ）的吸附量减少。研究表明，pH＝5时，（UO2）4（OH）7＋和（UO2）3（OH）5＋为溶液中的主要U（Ⅵ）形态，此时，K-M-PFC对（UO2）4（OH）7＋和（UO2）3（OH）5＋具有较好的吸附效果［13－14］。因此，选择pH＝5。

图3 pH值对K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影响

2.2.2 吸附时间的影响

pH＝5，其他条件不变，吸附时间对K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影响见图4。从图4可以看出，反应初期，K-M-PFC对U（Ⅵ）的吸附速度较快；60 min后吸附速率变慢；75 min后吸附几乎达到平衡，此时吸附量为42.446 mg／g，吸附率为98.90%。反应初期吸附速度较快，是因为K-M-PFC表面有较多吸附位点，而随着吸附进行，K-M-PFC表面吸附位点逐渐减少，吸附速率逐渐变慢。

图4 吸附时间对K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影响

2.2.3 U（Ⅵ）初始浓度的影响

吸附时间75 min，其他条件不变，U（Ⅵ）初始浓度对K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影响见图5。从图5看出，K-M-PFC对U（Ⅵ）的吸附量随着U（Ⅵ）初始浓度增加而增加，但U（Ⅵ）初始浓度大于10 mg／L后，吸附量变化不大，因此选择U（Ⅵ）初始浓度为10 mg／L。

图5 U（Ⅵ）初始浓度对K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影响

2.2.4 K-M-PFC用量的影响

U（Ⅵ）溶液体积0.03 L、吸附时间120 min、U（Ⅵ）初始浓度10 mg／L、pH＝5、吸附温度30℃，K-M-PFC用量对U（Ⅵ）吸附的影响见表2。从表2可以看出，K-M-PFC用量低于7 mg时，其对U（Ⅵ）的吸附量随着吸附剂用量增加而递增；K-M-PFC用量高于7 mg时，增加用量对吸附量影响不大。因此，选择K-M-PFC用量7 mg，即0.233 g／L。

表2 吸附剂用量对K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的影响

2.3 优化条件下K-M-PFC对U（Ⅵ）的吸附性能

通过单因素实验，K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的适宜条件为：pH＝5、吸附时间75 min、U（Ⅵ）初始浓度10 mg／L、K-M-PFC用量0.233 g／L、反应温度30℃。在此条件下进行吸附实验，K-M-PFC对U（Ⅵ）的吸附量可达43.042 mg／L。

2.4 K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后的形貌表征

K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后的SEM图谱见图6。与图1对比可知，K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后，其表面和孔内均出现了不规则的物质，表明K-M-PFC具有较好的吸附U（Ⅵ）能力。

图6 K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后的SEM形貌

K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后的FTIR表征见图7。与图2对比可知，K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后，所有特征峰均发生了偏移，1 388.69 cm－1处的C—N、—OH弯曲振动特征峰消失。因此，C—N、—OH弯曲振动特征峰可能与U（Ⅵ）的吸附有关。

图7 吸附U（Ⅵ）后K-M-PFC的FTIR表征

K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后的元素分析结果见表3。与表1对比可知，K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后含碳量升高，可能与C—N、—OH弯曲振动特征峰的消失有关。

表3 K-M-PFC吸附U（Ⅵ）后元素分析结果（质量分数）／%

通过以上分析可知，U（Ⅵ）主要吸附在K-M-PFC表面和孔隙内，并消耗—OH，因此，吸附过程为表面化学吸附。

3 结 论

1）使用棕榈纤维生物炭为基底材料，通过KOH和微波辐照改性，制备了K-M-PFC生物吸附材料。

2）K-M-PFC吸附U（Ⅵ）的适宜条件为：pH＝5、吸附时间75 min、U（Ⅵ）初始浓度10 mg／L、K-M-PFC用量0.233 g／L、反应温度30℃，在此条件下进行吸附实验，K-M-PFC对U（Ⅵ）的吸附量可达43.042 mg／g。

3）U（Ⅵ）吸附在K-M-PFC表面和孔隙内，并消耗—OH，表明K-M-PFC对U（Ⅵ）的吸附主要为表面化学吸附。