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炭质材料在贫铀水体中提取铀的应用 1 我国氢氧材料研究的展望 环境和能源是人类生存和发展的基础。随着人类现代化进程的加快,核能的发展越来越受到众多国家的重视。截至2009年3月,全世界共有436座商用核电机组在运行,为全世界提供大约16%的电力。我国也明确提出了大力发展核电的政策,预计到2020年我国核电装机容量占总发电量的比重将从目前的不到2%提高到7%左右。我国核能事业的迅速发展,对核燃料的供给能力和乏燃料处理能力带来巨大的挑战。科技部和国家自然科学基金委先后启动“核燃料循环与核安全技术”国家863计划和“先进核裂变能的燃料增殖与嬗变”重大研究计划,希望通过这些研究,提升我国在核燃料循环各主要环节的技术水平和核能发展的自主创新能力,保障我国核能事业的可持续发展。 铀既是核燃料的主要成分又是乏燃料后处理的关键核素之一。从乏燃料中分离铀,既可以充分利用有限的铀资源,又可以降低后续处理难度,减少处置费用。此外,勘探、开采、冶炼等涉铀操作过程都会产生含铀废水,可能导致环境污染。如果铀在环境中大量累积,作为兼有化学毒性和放射性毒性的重金属,可能改变环境本底辐射,造成物种基因畸变,对人类的生存和发展构成潜在的威胁。因此,必须加强对含铀废水的处理。再者,由于核电迅猛发展,铀需求量剧增,陆地铀资源不足的问题摆在了人们面前。而海水中的铀含量十分丰富,多达45亿吨,是已知陆地铀矿储量的约4 500倍,海水有可能成为将来人类所需核燃料铀的主要来源。 综上所述,从水体中分离、回收铀具有非常重要的现实意义。目前对水体中铀的分离处理方法主要有化学沉淀、溶剂萃取、离子交换、离子浮选、膜分离和生物吸附等。这些方法各有优缺点,一些方法已经形成工艺,并在工程中得到广泛应用。而吸附法因具有操作简单、工艺成熟、适用范围广等优点,一直是重要的研究方向之一。 绝大部分炭材料都具有丰富的孔隙结构和大的比表面积,常被用作吸附分离材料或催化剂载体,研究已涉及的材料有活性炭、碳纤维、碳薄膜、富勒烯和碳纳米管等材料。与大多数其他类型离子交换/吸附材料相比,炭材料还具备优良的抗辐射和热稳定性,以及优于常用无机吸附材料的酸稳定性,可望用于处理放射性废液。同时,相对于其他无机材料而言,炭材料更容易进行表面处理,可以通过简单的物理或化学改性等处理手段改善材料的理化性能,从而提高材料的离子选择性与吸附容量。由图1可以了解最近10余年来炭材料领域研究发展的迅猛趋势(数据来源于ISI)。 本课题组近年来在研究新型炭质吸附材料选择性地分离铀等关键核素方面做了一些探索,初步结果令人鼓舞,对炭材料的应用前景充满信心。结合我们的研究体会,本文简述当前炭材料吸附铀(Ⅵ)的研究进展,希望引起同行们的关注,以期在获得结构和性能俱佳的高性能炭材料方面进行更为系统、深入的研究。 2 对活性物质和燃料的吸附 2.1 ph对铀酰离子的影响 由于活性炭具有良好的理化稳定性,耐高温,不易破碎,流体阻力小,成本低廉,因此被广泛应用于化工、医药及水处理等工艺中。活性炭具有排列不规则的微晶结构,微晶中有不同尺寸的孔道孔隙,使它具有很大内表面(比表面积为500—1 700m2·g-1),这使得活性炭具有良好的吸附性能,可以吸附废水和废气中的金属离子、有害气体、有机污染物和色素等。活性炭的吸附作用产生于两个方面,一是由于活性炭内部分子在各个方向都受着同等大小的力而在表面的分子则受到不平衡的力,因而容易使其他分子吸附在表面上,此为物理吸附;另一个是活性炭与被吸附物质之间的化学作用,此为化学吸附。活性炭对水溶液中金属离子的吸附是上述两种吸附行为综合作用的结果。 Kütahyali等的研究表明,活性炭制备过程中的活化方法可能会影响活性炭对铀的吸附性能。活性炭除含碳元素外,还含有少量的氮、氧、硫及灰份,这些成分根据原材料的活化方法不同而略有差别,并在活化过程中在活性炭表面形成各种基团(又称表面氧化物,如羟基、羧基、羰基、巯基、氨基、内酯基和环氧基等)。不同的活化方法也可能得到不同的孔道、孔隙和表面积等,从而影响活性炭的吸附性能。曾宪富等曾提到使用硝酸或过氧化氢低温活化活性炭,可提高活性炭的有效吸附空间,从而大大提高活性炭的吸附容量和离子选择性。 铀在水溶液中的存在形态与溶液的p H值和铀浓度密切相关,且不同形态的铀酰离子在活性炭上的吸附性能也不尽相同:UO22+主要存在于p H<5的溶液中;在p H=5—8的溶液中,主要以(UO2)3(OH)5+的形态存在;p H>8时,在相对高浓度(4.0×10-5—2.0×10-4mol·L-1)的溶液中主要以(UO2)3(OH)7-形态存在,而在相对低浓度(1.0×10-6—1.0×10-5mol·L-1)的溶液中则主要以UO2(OH)3-形态存在[10,12—14]。从上可以看出,随着p