CN103578594A - 一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法 - Google Patents

一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于放射性废水处理技术领域，特别涉及一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法。本发明方法通过向含有放射性核素的废水中加入纳米Fe3O4-CeO2材料，然后将废水与纳米材料充分混合，经过一定的反应时间后即可有效去除放射性核素。本发明中纳米Fe3O4-CeO2材料对核素的吸附容量大、不易脱附，吸附后的纳米材料具有磁性、易回收，反应后产生的放射性废物体积小、方便暂存。该方法反应条件温和，在放射性废水处理方面具有广阔的应用前景。本发明所述的纳米Fe3O4-CeO2材料对90Sr和60Co的饱和吸附容量分别为21mg/g和19mg/g。

Description

一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法
技术领域
本发明属于放射性废水处理技术领域，特别涉及一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法。
背景技术
随着矿产和石油的开采、核工业的发展及核技术在工业、农业、能源、军事、医疗卫生等各领域的广泛应用，产生了大量含有90Sr、60Co等核素的放射性废水。放射性物质进入生物体后会引起三致（致畸、致癌、致突变）效应；放射性核素60Co毒性大、半衰期较长（5.27年）、γ射线能量高（平均1.25Mev），如不妥善处置会对环境及人类健康造成重大的影响。尤其是2011年日本福岛核电站事故发生后，大量放射性核素泄漏到周围环境，污染了附近区域的地下水、海水甚至饮用水，给人类及海洋生态带来长期深远的影响。因此，安全高效地处理处置放射性废水迫在眉睫！
国内外常用的放射性废水处理方法主要包括化学沉淀法、离子交换法、蒸发浓缩法、电渗析法、反渗透法、吸附法、氧化还原法、生物法等。吸附法采用多孔性的固体吸附剂将一种或多种放射性核素吸附在其表面，从而达到去除核素的目的。目前使用较多的有机吸附材料，存在着吸附效率低、热稳定性较差、抗污染能力低、使用寿命不长等问题。无机吸附材料具有选择性好、吸附效率高、化学稳定性好、耐高温、耐酸碱、抗辐射、使用寿命长等优点，在废水处理中表现出良好的应用前景。
本发明所制备得到的纳米Fe3O4-CeO2材料作为一种纳米材料，具有独特的表面界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，可以产生很高的微界面吸附性能和反应活性。磁性纳米Fe3O4为反尖晶石结构，除了具有纳米材料的特性外，还具有超顺磁性，将其应用于放射性核素污染水体的治理中，既可高效快速去除核素，又可用磁分离法将其回收。CeO2是稀土氧化物系列中活性最高的一种氧化物催化剂，具有优越的储存和释放氧功能及氧化还原性能（Ce3+/Ce4+），也有良好的化学稳定性和高温快速氧空位扩散能力。在有过渡金属存在时，CeO2与金属之间的协同作用可有效提高催化剂的活性、改善其选择性和增加其稳定性。利用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性废水中的核素具有重要的应用价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法。
一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法，该方法的具体方案如下：
向含有放射性核素的废水中加入纳米Fe3O4-CeO2材料，将纳米Fe3O4-CeO2材料与含有放射性核素的废水充分混合，进行吸附反应1～8h后用原子吸收分光光谱仪测定残余核素的含量。
所述放射性核素为90Sr元素和60Co元素中的一种或两种。
所述纳米Fe3O4-CeO2材料的平均粒径为5nm，BET比表面积为80.21m2/g，饱和磁化强度为14.4emu/g，在含有放射性核素的废水中的用量为0.1～1.0g/L。
所述纳米Fe3O4-CeO2材料对90Sr和60Co的饱和吸附容量分别为21mg/g和19mg/g。
所述含有放射性核素的废水中90Sr的浓度为10～200mg/L。
所述含有放射性核素的废水中60Co的浓度为10～400mg/L。
所述含有放射性核素的废水的pH值为3～10。
所述吸附反应温度为10～40℃。
所述纳米Fe3O4-CeO2材料的制备过程为：（1）采用液相沉淀法制备纳米CeO2颗粒：将浓度为0.1mol/L的(NH4)2CO3·H2O作为沉淀剂加入到浓度为0.1mol/L的Ce(NO3)3·6H2O溶液中以3:2的摩尔比进行化学反应，同时以4g/L的加入量，加入表面活性剂聚乙二醇4000（PEG4000），反应时间为10min，反应温度为40℃，搅拌，反应生成前驱体溶胶；前驱体溶胶过滤后用去离子水洗涤两次以除杂，并将滤干的前驱体溶胶放入装有无水乙醇的烧杯中，用超声波分散10min；再进行过滤，真空干燥后于300℃的空气中焙烧1h，得到CeO2粉末；（2）以纳米CeO2颗粒为载体，采用共沉淀法中的Massart水解法制备纳米Fe3O4-CeO2材料：称取0.23g的CeO2粉末并且配制浓度为0.2mol/L的NaOH溶液100mL置于四口圆底烧瓶中，恒温水浴80℃；搅拌并通入氩气使圆底烧瓶处于无氧状态；配制浓度分别为0.02mol/L和0.01mol/L的Fe2(SO4)3和FeSO4·7H2O混合溶液100mL，加入浓硫酸以抑制Fe 2+的氧化；将此混合溶液通过调节阀滴入四口圆底烧瓶中，与NaOH溶液反应，即生成Fe3O4-CeO2颗粒。反应1.5h后，将合成的Fe3O4-CeO2颗粒沉淀，去离子水洗涤两遍，真空干燥即制得Fe3O4和CeO2质量比为1:1的纳米Fe3O4-CeO2材料。
本发明的有益效果为：
本发明方法使用纳米Fe3O4-CeO2材料对90Sr和60Co的吸附容量大、不易脱附，吸附后的材料纳米颗粒具有磁性、易回收，产生的放射性废物体积小、方便暂存；吸附反应条件温和，在放射性废水处理方面具有优势。
具体实施方式
本发明提供了一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法，下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
实施例1
将纳米Fe3O4-CeO2材料用于吸附去除模拟放射性核素90Sr和60Co，步骤如下：以容积为20mL的试剂瓶为反应器，含有放射性核素的废水为含有Sr2+和Co2+溶液，包括单一核素体系以及Sr2+和Co2+共存的多种核素体系，pH不调（5.5～5.8），向15mL的含有放射性核素的废水中，以0.6g/L的加入量加入纳米Fe3O4-CeO2材料，将反应器密封后置于台式恒温振荡培养箱中反应，转速为150rpm，温度为30℃。反应8h后的平衡吸附量（qe）见表1：
表1  纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素结果数据表
体系 元素 初始浓度（mg/L） 残余浓度（mg/L） 平衡吸附量（mg/g）
单一吸附 90Sr 17.34 5.51 19.72
单一吸附 60Co 16.29 7.27 15.03
竞争吸附 90Sr 19.03 11.75 12.13
竞争吸附 60Co 15.77 7.79 13.31
检测方法：样品经0.22m的微孔滤膜过滤后，采用原子吸收分光光谱仪（德国，AAS6V ario）检测初始和剩余的Sr2+和Co2+浓度。
实施例2
将纳米Fe3O4-CeO2材料用于吸附去除模拟放射性核素Sr2+，步骤如下：以容积为20mL的试剂瓶为反应器，往反应器中加入15mL的Sr2+废水溶液，再以0.6g/L的加入量加入纳米Fe3O4-CeO2材料，将反应器密封后置于台式恒温振荡培养箱中反应，转速为150rpm，温度为30℃。不同pH条件下反应6h后的平衡吸附量（qe）见表2：
表2  不同pH下纳米Fe3O4-CeO2材料去除核素Sr2+结果数据表
pH 初始浓度（mg/L） 残余浓度（mg/L） 平衡吸附量（mg/g）
3.1 10.45 6.62 6.38
4.1 10.45 2.60 13.09
5.3 10.45 1.32 15.21
6.0 10.45 1.11 15.56
6.9 10.45 1.12 15.55
7.7 10.45 1.12 15.55
8.8 10.45 1.27 15.29
9.9 10.45 0.46 16.65
检测方法：同实施例1。
实施例3
将纳米Fe3O4-CeO2材料用于吸附去除模拟放射性核素Co2+，步骤如下：以容积为20mL的试剂瓶为反应器，往反应器中加入15mL的Co2+废水溶液和纳米Fe3O4-CeO2材料，pH为5.5，将反应器密封后置于台式恒温振荡培养箱中反应，转速为150rpm，温度为30℃。不同纳米Fe3O4-CeO2用量反应2h后的平衡吸附量（qe）见表3：
表3  不同纳米Fe3O4-CeO2用量时核素Co2+的去除情况结果数据表
Figure BDA0000404585310000051
检测方法：同实施例1。
实施例4
将纳米Fe3O4-CeO2材料用于吸附去除模拟放射性核素Sr2+，步骤如下：以容积为20mL的试剂瓶为反应器，往反应器中加入15mL的Sr2+废水溶液，再以0.4g/L的加入量加入纳米Fe3O4-CeO2材料，pH为8，将反应器密封后置于台式恒温振荡培养箱中反应，转速为150rpm。不同温度条件下反应4h后的平衡吸附量（qe）见表4：
表4  不同温度下纳米Fe3O4-CeO2材料去除核素Sr2+结果数据表
温度（℃） 初始浓度（mg/L） 残余浓度（mg/L） 平衡吸附量（mg/g）
10 98.18 91.44 16.85
20 97.34 90.21 17.83
30 98.18 89.75 21.08
40 97.34 88.95 20.98
检测方法：同实施例1。
综上所述，本发明所述的纳米Fe3O4-CeO2材料对90Sr和60Co的饱和吸附容量分别为21mg/g和19mg/g，吸附条件温和，吸附后的颗粒具有磁性、易回收、体积小、方便暂存，在处理水中的放射性核素方面具有广阔的应用前景。

Claims (8)

1.一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法，其特征在于，该方法的具体方案如下：
向含有放射性核素的废水中加入纳米Fe3O4-CeO2材料，将纳米Fe3O4-CeO2材料与含有放射性核素的废水充分混合，进行吸附反应1～8h。
2.根据权利要求1所述的一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法，其特征在于：所述放射性核素为90Sr元素和60Co元素中的一种或两种。
3.根据权利要求2所述的一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法，其特征在于：所述纳米Fe3O4-CeO2材料的平均粒径为5nm，BET比表面积为80.21m2/g，饱和磁化强度为14.4emu/g，在含有放射性核素的废水中的用量为0.1～1.0g/L。
4.根据权利要求2所述的一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法，其特征在于：所述纳米Fe3O4-CeO2材料对90Sr和60Co的饱和吸附容量分别为21mg/g和19mg/g。
5.根据权利要求2所述的一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法，其特征在于：所述含有放射性核素的废水中90Sr的浓度为10～200mg/L。
6.根据权利要求2所述的一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法，其特征在于：所述含有放射性核素的废水中60Co的浓度为10～400mg/L。
7.根据权利要求1所述的一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法，其特征在于：所述含有放射性核素的废水的pH值为3～10。
8.根据权利要求1所述的一种使用纳米Fe3O4-CeO2材料去除放射性核素的方法，其特征在于：所述吸附反应温度为10～40℃。
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