CN103055801A - 一种烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料及其制法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料及其制备方法和用途，该方法包括以下步骤：将粘土矿物按m粘土矿物:V水=0.02~0.1g/mL的比例分散于水中形成悬浮液；按n烷基胺:m粘土矿物=0.8~2.4mmol/g的比例向悬浮液中加入改性剂烷基胺，混合均匀后调节悬浮液pH值至1~10，在25~50℃下振荡反应12~36h，得到活化产物；将活化产物离心，取沉淀；用水洗涤沉淀至其pH值为中性，然后烘干，得到烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料。本发明中，无机粘土矿物经不同的改性剂活化后，对铯、锶等放射性元素的吸附量、吸附速率等与无机粘土矿物原矿相比都有了较大提高。
Description
技术领域
本发明涉及废水中放射性元素的处理技术，具体涉及一种放射性元素吸附材料，特别涉及一种能去除水中放射性元素的烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料及其制备方法和用途。
背景技术
由于核技术的研究及核工业的应用，导致放射性元素释放到环境中造成放射性污染。水体中的放射性污染主要来源于核工业和原子反应堆设施排放的废水、核武器制造和核试验污染以及大气中气载放射性物质的沉积、污染地面上的径流等。
环境中的放射性物质可以由多种途径进入人体，对心血管系统、内分泌系统和神经系统造成损害，引发多种疾病，对人体造成损伤。放射性污染与其他环境污染相比还具有持续性和长时性、剂量累积性和公众无感知性等特点，使得其对人体的危害尤为突出。因此如何安全有效地处置放射性废物，减轻放射性废水对环境的危害，成为核工业、核技术面临的重要课题。
目前放射性废液常用的处理方法有絮凝沉淀、蒸发、离子交换、生物处理和膜技术等方法，这些常规的处理方法存在着处理效率低、处理费用高、后续处理繁琐以及产生二次污染等不同的缺点。
吸附作为一种有效、方便、稳定的处理方法被广泛应用于放射性废水的处理。吸附法处理的效果与吸附剂的性能有很大关系，粘土矿物由于其稳定性高、表面积大、孔隙结构丰富和成本低等特点，作为一种良好的吸附材料得到广泛应用。
目前常用天然无机粘土矿物作为吸附剂来处理放射性废水，但吸附效率比较低。
以改性后的粘土矿物作为吸附剂来处理放射性废水在一些文献中（王金明,易发成.改性凹凸棒石表征及其对模拟核素Cs+的吸附研究.非金属矿,2006,29(2):53-55）（Tsing-Hai Wang,Tsung-Ying Liu etal.Performance ofphosphoric acid activated montmorillonite as buffer materials for radioactive wasterepository.Journal ofHazardous Materials173(2010)335–342.）也有报道，王金明等提出一种用NaOH改性凹凸棒石的方法，需要在85℃高温下进行反应，耗能高；Tsing-Hai Wang等提出了一种用磷酸活化蒙脱石的方法，需要采用回流的方法，制备过程复杂，这些改性方法只适合实验室的少量制备，很难应用于工业规模化生产。
发明内容
为了克服现有的放射性元素吸附材料吸附效率低下、成本较高等缺点，本发明的首要目的在于提供一种烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供由上述方法制备得到的烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料，该吸附材料吸附效率高、吸附速度快、成本低廉。
本发明的再一目的在于提供上述的烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料的用途。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将粘土矿物粉碎，然后按m粘土矿物:V水=0.02~0.1g/mL的比例分散于水中形成悬浮液；
（2）按n烷基胺:m粘土矿物=0.8~2.4mmol/g的比例向步骤（1）所得的悬浮液中加入改性剂烷基胺，混合均匀后调节悬浮液pH值至1~10，在25~50℃下振荡反应12~36h，得到活化产物；
（3）将活化产物离心，取沉淀；用水洗涤沉淀至其pH值为中性，然后烘干，得到烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料；
所述的粘土矿物为蒙脱石或蛭石中的一种；
步骤（2）所述的改性剂烷基胺优选乙胺、丙胺、丁胺中的一种；
步骤（3）所述的离心，优选以4000r/min离心5min。
上述方法制备得到的烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料可用于处理含放射性元素的废水，吸附效率高、吸附速度快。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明中，无机粘土矿物经不同的改性剂活化后，对铯、锶等放射性元素的吸附量、吸附速率等与无机粘土矿物原矿相比都有了较大提高。例如在Cs(I)初始浓度为119.2mg/L时，乙胺改性蒙脱石对Cs(I)的吸附量为54.78mg/g，比蒙脱石原矿的吸附量36.2mg/g有很大提高。
2、本发明的烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料制造成本较低，所需原料简单易得，主要原料无机粘土矿物（蒙脱石、蛭石）在自然界中广泛分布，价格低廉，来源广泛；其他原料如改性剂乙胺、丙胺、丁胺等也是常见的化工试剂，较易取得。
3、本发明的制备过程简单，投资少，且反应条件温和，反应在常温常压下完成，无需特殊专用设备，能耗低，应用前景广阔。
附图说明
图1是实施例1的乙胺改性蒙脱石吸附材料的红外图谱；其中，曲线a-蒙脱石的红外图谱，曲线b-实施例1的乙胺改性蒙脱石吸附材料的红外图谱。
图2是不同时间内乙胺改性蒙脱石吸附材料及蒙脱石对Cs(I)的吸附曲线图；其中，曲线a-蒙脱石的吸附曲线，曲线b-乙胺改性蒙脱石吸附材料的吸附曲线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
烷基胺改性蒙脱石吸附材料，由以下步骤制备得到：
（1）将蒙脱石粉碎过200目筛后，称取3g蒙脱石加入60mL蒸馏水制成浓度为50g/L的蒙脱石悬浮液，即m蒙脱石∶V水=0.05g/mL，同样的蒙脱石悬浮液制备3份，分别记为A、B、C。
（2）按n烷基胺∶m蒙脱石=2.4mmol/g的比例，将改性剂乙胺、丙胺、丁胺分别加入到步骤（1）所制得的蒙脱石悬浮液A、B、C中，投加量分别为：68%乙胺溶液0.68mL；丙胺0.60mL；丁胺0.72mL。混合均匀后用0.1mol/LHCl和NaOH调节pH值为1，在30℃下置于水浴振荡器中振荡24h。
（3）将步骤（2）中的活化产物置于离心机中以4000r/min离心5min去除上清液，用水冲洗3次，使pH值接近于7，然后将活化产物在60℃温度下烘干，研磨后过200目筛，得到乙胺改性蒙脱石吸附材料、丙胺改性蒙脱石吸附材料、丁胺改性蒙脱石吸附材料。
如图1所示，从红外图谱中可以看出，乙胺改性后的蒙脱石吸附材料(b)仍然显示出蒙脱石原矿(a)的特征吸收峰，说明改性后的材料结构没有遭到破坏，蒙脱石的基本骨架仍然保存。乙胺改性后的蒙脱石吸附材料在1507cm-1处出现了较明显的吸收峰，这是-CH2-的变形振动或-NH2的弯曲振动，这些都是乙胺的特征峰，说明乙胺改性蒙脱石成功。
实施例2
将适量的氯化铯（CsCl）溶解在蒸馏水中，配制浓度为119.2mg/LCs(I)溶液，分别称取0.05g蒙脱石原矿及实施例1所得乙胺改性蒙脱石吸附材料、丙胺改性蒙脱石吸附材料、丁胺改性蒙脱石吸附材料于50mL锥形瓶中，移取25mL配制好的Cs(I)溶液，充分混合后置于30℃水浴振荡器上振荡24h后，取上清液用原子吸收分光光度计测定溶液中Cs(I)的浓度。结果见表1。
表1的数据表明烷基胺改性蒙脱石吸附材料对Cs(I)的吸附量与蒙脱石原矿相比有了大幅度提高，对水中的放射性元素铯表现出很好的吸附效果。
表1烷基胺改性蒙脱石吸附材料及蒙脱石对Cs(I)的吸附效果
| 材料 | 吸附前浓度（mg/L） | 吸附后浓度（mg/L） | 吸附量（mg/g） |
| 蒙脱石 | 119.2 | 46.8 | 36.2 |
| 乙胺改性蒙脱石 | 119.2 | 9.64 | 54.78 |
| 丙胺改性蒙脱石 | 119.2 | 10.35 | 54.43 |
| 丁胺改性蒙脱石 | 119.2 | 11.84 | 53.68 |
实施例3
乙胺改性蒙脱石吸附材料，由以下步骤制备得到：
（1）将蒙脱石粉碎过200目筛后，称取3g蒙脱石加入150mL蒸馏水制成浓度为20g/L的蒙脱石悬浮液，即m蒙脱石∶V水=0.02g/mL。
（2）按n乙胺∶m蒙脱石=1.6mmol/g的比例，将0.45mL68%乙胺溶液加入到步骤（1）所制得的蒙脱石悬浮液中，搅拌均匀后用0.1mol/LHCl和NaOH调节pH值为5，在30℃下置于水浴振荡器中振荡24h。
（3）将步骤（2）中的活化产物置于离心机中以4000r/min离心5min去除上清液，用水冲洗3次，使pH值接近于7，然后将活化产物在60℃温度下烘干，研磨后过200目筛，得到乙胺改性蒙脱石吸附材料。
将适量的氯化铯（CsCl）溶解在蒸馏水中，配制浓度为102.2mg/LCs(I)溶液，分别称取0.05g蒙脱石原矿及实施例3所得乙胺改性蒙脱石吸附材料于50mL锥形瓶中，移取25mL配制好的Cs(I)溶液，充分混合后置于30℃水浴振荡器上振荡24h后，取上清液用原子吸收分光光度计测定溶液中Cs(I)的浓度。结果见表2。
表2的数据表明乙胺改性蒙脱石吸附材料对Cs(I)的吸附量与蒙脱石原矿相比有了大幅度提高，对水中的放射性元素铯表现出很好的吸附效果。
表2乙胺改性蒙脱石吸附材料及蒙脱石对Cs(I)的吸附效果
| 材料 | 吸附前浓度（mg/L） | 吸附后浓度（mg/L） | 吸附量（mg/g） |
| 蒙脱石 | 102.2 | 48.34 | 26.93 |
| 乙胺改性蒙脱石 | 102.2 | 15.56 | 43.32 |
实施例4
乙胺改性蒙脱石吸附材料，由以下步骤制备得到：
（1）将蒙脱石粉碎过200目筛后，称取3g蒙脱石加入30mL蒸馏水制成浓度为100g/L的蒙脱石悬浮液，即m蒙脱石∶V水=0.1g/mL。
（2）按n乙胺∶m蒙脱石=0.8mmol/g的比例，将0.23mL68%乙胺溶液加入到步骤（1）所制得的蒙脱石悬浮液中，搅拌均匀后用0.1mol/LHCl和NaOH调节pH值为10，在30℃下置于水浴振荡器中振荡24h。
（3）将步骤（2）中的活化产物置于离心机中以4000r/min离心5min去除上清液，用水冲洗3次，使pH值接近于7，然后将活化产物在60℃温度下烘干，研磨后过200目筛，得到乙胺改性蒙脱石吸附材料。
将适量的六水合氯化锶（SrCl2·6H2O）溶解在蒸馏水中，配制浓度为150mg/LSr(II)溶液，分别称取0.05g蒙脱石原矿及实施例4所得乙胺改性蒙脱石吸附材料于50mL锥形瓶中，移取25mL配制好的Sr(II)溶液，充分混合后置于30℃水浴振荡器上，振荡24h后，取上清液用原子吸收分光光度计测定溶液中Sr(II)的浓度。结果见表3。
表3的数据表明乙胺改性蒙脱石吸附材料对Sr(II)的吸附量与蒙脱石原矿相比有了大幅度提高，对水中的放射性元素锶表现出很好的吸附效果。
表3乙胺改性蒙脱石吸附材料及蒙脱石对Sr(II)的吸附效果
| 材料 | 吸附前浓度（mg/L） | 吸附后浓度（mg/L） | 吸附量（mg/g） |
| 蒙脱石 | 150 | 124.5 | 12.75 |
| 乙胺改性蒙脱石 | 150 | 85.06 | 32.47 |
实施例5
乙胺改性蛭石吸附材料，由以下步骤制备得到：
（1）将蛭石粉碎过200目筛后，称取3g蛭石加入60mL蒸馏水制成浓度为50g/L的蒙脱石悬浮液，即m蛭石∶V水=0.05g/mL。
（2）按n乙胺∶m蛭石=0.855mmol/g的比例，将0.25mL68%乙胺溶液加入到步骤（1）所制得的蛭石悬浮液中，搅拌均匀后用0.1mol/LHCl和NaOH调节pH值为1，在30℃下置于水浴振荡器中振荡24h。
（3）将步骤（2）中的活化产物置于离心机中以4000r/min离心5min去除上清液，用水冲洗3次，使pH值接近于7，然后将活化产物在60℃温度下烘干，研磨后过200目筛，得到乙胺改性蛭石吸附材料。
将适量的氯化铯（CsCl）溶解在蒸馏水中，配制浓度为102.2mg/LCs(I)溶液，分别称取0.05g蛭石原矿及实施例3所得乙胺改性蛭石吸附材料于50mL锥形瓶中，移取25mL配制好的Cs(I)溶液，充分混合后置于30℃水浴振荡器上振荡24h后，取上清液用原子吸收分光光度计测定溶液中Cs(I)的浓度。结果见表4。
表4乙胺改性蛭石吸附材料及蛭石对Cs(I)的吸附效果
| 材料 | 吸附前浓度（mg/L） | 吸附后浓度（mg/L） | 吸附量（mg/g） |
| 蛭石 | 102.2 | 66.5 | 17.85 |
| 乙胺改性蛭石 | 102.2 | 24.62 | 38.79 |
实施例6
将适量的氯化铯（CsCl）溶解在蒸馏水中，配制浓度为138.4mg/L的Cs(I)溶液，分别称取0.05g蒙脱石原矿及实施例1中所得乙胺改性蒙脱石吸附材料于50mL锥形瓶中，移取25mL配置好的Cs(I)溶液，充分混合后用0.1mol/LHCl和NaOH调节pH至1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，然后置于30℃水浴振荡器上，振荡24h后，取上清液用原子吸收分光光度计测定溶液中Cs(I)的浓度。
实验结果如表5所示，可以看出乙胺改性蒙脱石吸附材料在pH值为2~10时对Cs(I)都有较好的吸附效果，适用范围广泛，且其吸附量与蒙脱石原矿相比有提高。
表5不同pH值下乙胺改性蒙脱石吸附材料及蒙脱石对Cs(I)的吸附效果
实施例7
将适量的氯化铯（CsCl）溶解在蒸馏水中，配制浓度为180.4mg/L的Cs(I)溶液，分别称取0.05g蒙脱石原矿及实施例1中所得乙胺改性蒙脱石吸附材料于50mL锥形瓶中，移取25mL配置好的Cs(I)溶液，充分混合后置于30℃水浴振荡器上，分别振荡2min、5min、7min、10min、15min、30min、45min、1h、90min、2h、4h后，取上清液用原子吸收分光光度计测定溶液中Cs(I)的浓度。
实验结果如图2所示，从图中可以看出乙胺改性蒙脱石吸附材料（b）对Cs(I)在1h之内达到平衡，吸附速率极快，且吸附量与蒙脱石原矿（a）相比有提高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将粘土矿物粉碎，然后按m粘土矿物:V水=0.02~0.1g/mL的比例分散于水中形成悬浮液；
（2）按n烷基胺:m粘土矿物=0.8~2.4mmol/g的比例向步骤（1）所得的悬浮液中加入改性剂烷基胺，混合均匀后调节悬浮液pH值至1~10，在25~50℃下振荡反应12~36h，得到活化产物；
（3）将活化产物离心，取沉淀；用水洗涤沉淀至其pH值为中性，然后烘干，得到烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料。
2.根据权利要求1所述的烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料的制备方法，其特征在于：所述的粘土矿物为蒙脱石或蛭石中的一种。
3.根据权利要求1所述的烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的烷基胺为乙胺、丙胺、丁胺中的一种。
4.根据权利要求1所述的烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的离心，是以4000r/min离心5min。
5.一种烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料，其特征在于：是由权利要求1-4任一项所述的方法制备得到。
6.权利要求5所述的烷基胺改性无机粘土矿物吸附材料在处理含放射性元素的废水中的应用。
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