CN108579660B - 处理废水中放射性核素的三元金属氧化物材料及其应用 - Google Patents

处理废水中放射性核素的三元金属氧化物材料及其应用 Download PDF

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Abstract

一种处理废水中放射性核素的三元金属氧化物材料及其应用，属于放射性物质处理技术领域。通过一步水热合成法制备Co‑Mo‑Ni三元金属氧化物材料，利用该材料大的表面积、丰富的表面活性位点、良好的环境稳定性和优异的物理化学性能，将放射性核素从废水中分离出来。该新型材料对典型放射性核素238U、152+154Eu、89Sr和137Cs的去除在1h内达到平衡，且最大吸附量分别达到517.48、448.21、259.73和186.58mg/g。所述制备方法简便易行，对于放射性核素的去除速率快、吸附容量高，且反应过程无二次污染。该新型材料对于我国废水中放射性核素的处理处置具有良好的应用前景。

Description

处理废水中放射性核素的三元金属氧化物材料及其应用
技术领域
本发明属于放射性物质处理技术领域，具体涉及一种三元金属氧化物材料制备以及该材料对放射性废水中关键放射性核素(238U、152+154Eu、89Sr和137Cs)的吸附处理。适用于核事故、核能利用、乏燃料后处理以及高放核废物存储过程中释放的典型放射性核素的放射性废水的处理。
背景技术
随着核电发展规模的不断提升，核能在我国的能源消费结构中将占据愈加重要的地位，但同时伴随而来的放射性污染问题也日渐凸显。放射性核素进入环境的主要途径主要包括：(1)铀矿开采浓缩过程中产生的废矿、废水处置不当，238U及其衰变子体(230Th和226Ra)随降水迁移到附近的土壤和水体中，造成环境污染；(2)乏燃料后处理以及高放核废物存放过程中由于设计和管理缺陷导致的放射性物质外泄；(3)核电站以及其他民用核设施在生产过程中发生安全事故，造成的突发性放射性物质泄漏，例如切尔诺贝利核事故以及福岛核事故；(4)核试验以及军用核武器的使用也会造成大面积的放射性污染。相比于常规的环境污染物，放射性污染更具有特殊性，因为放射性核素通常浓度低、污染面积大，大多数的放射性核素同时具有很强的化学毒性和放射毒性，其在环境介质中通过迁移、扩散和转移等过程进入到生态圈，将对土壤、水资源以及生态环境带来长期危害。为了保证人类健康和环境安全，必须对废液中的放射性核素进行妥善处理。
为了达到各国政府机构制定的放射性核素排放标准，不同的修复方式(物理、化学及生物修复)被广泛用于环境中放射性核素的分离与富集，其中常见的去除方法有：溶剂萃取、膜分离、离子交换、吸附和化学沉淀。然而，大多数技术成本都比较昂贵，在大规模应用方面仍有不足。作为一种高效率、低成本的环境友好型去污技术，吸附技术近年来已得到人们的广泛关注。目前常用的吸附处理放射性核素的材料有黏土矿物、沸石等传统吸附材料和石墨烯(GS)、碳纳米管(CNT)、金属有机框架(MOF)、二维过渡金属碳化物(MXene)、零价铁(Fe0)等新型吸附材料。传统吸附材料的来源广泛、成本低廉，但是存在吸附容量低、选择性差的缺陷。新型吸附材料由于具有丰富的表面活性位点能够快速高效的去除放射性核素，但是绝大多数材料仍存在一些不足，包括：成本较高，如GS和CNT；制备工艺复杂，如MOFs和MXene；适用条件有限，如Fe0。因此，急需开发新型的具有较高吸附能力和较快去除效率以及制备过程简单易于规模化应用的新型材料。
金属氧化物材料，由于其来源广泛、较高的结晶度、大的表面积、不同的氧化态、丰富的活性位点，以及较高的零电荷点，被广泛用于水环境中污染物的去除。与单一金属氧化物相比，多金属氧化物展现出更加高效的污染物去除效果。多金属氧化物之间的协同作用，如更强的环境承受能力、更高的等电点、更加丰富的吸附位点和介孔结构，是提高污染物去除能力的主要原因。例如：Penke Yaswanth K.等人发现Co-Al-Fe吸附剂对As(III)和As(V)的最大吸附量分别为130mg/g和76mg/g。Chen Jing等人发现Ce-Mn二元氧化物对As(III)的吸附能力(97.7mg/g)远远高于CeO2(78.6mg/g)和MnO2(15.0mg/g)。但是现在常用的多元氧化物材料大多是二元金属氧化物，而且现在多用在重金属的吸附处理上，较少应用在放射性核素的吸附处理中。
本发明提出了一种用三元金属氧化物(Co-Mo-Ni)材料吸附处理典型放射性核素(238U、152+154Eu、89Sr和137Cs)的方法。通过简单的一步水热合成法制备Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料，然后将其加入到放射性废水中，利用Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料大的表面积、较高的环境稳定性、丰富的结合位点以及强的结合能力，实现放射性核素的吸附高效分离。
发明内容
本发明的目的之一在于避免传统吸附材料的去除效率低、新型材料的成本较高、制备复杂、稳定性差及二次污染物产生的缺点，提供一种低成本的、高效的、环境友好和稳定性强的三元金属氧化物材料的制备方法。
本发明的目的之二是将该三元金属氧化物材料用于水溶液中放射性核素的去除。
本发明的目的一的技术方案如下：
一种三元金属氧化物材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水溶性钴盐、水溶性镍盐、钼酸铵、尿素与氟化氨混合溶解于去离子水中，在室温下搅拌得到均相溶液；
(2)将步骤(1)制得的均相溶液转移至高压反应釜，加热反应，然后冷却至室温；
(3)将步骤(2)制得的晶体用去离子水和无水乙醇洗涤，干燥活化，制得Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料。
进一步，步骤(1)所述水溶性钴盐选自硝酸钴、氯化钴等；水溶性镍盐选自硝酸镍、氯化镍等。
进一步，步骤(1)中取摩尔比为6：3：1：12：2的硝酸钴、硝酸镍、钼酸铵、尿素与氟化氨于室温下搅拌溶解于去离子水中得到均相溶液。
进一步，步骤(2)中所述均相溶液在室温下搅拌1h后转移至50mL高压反应釜，反应物在130℃烘箱中加热5h，之后冷却至室温。
进一步，步骤(3)中通过离心法得到的晶体用去离子水和无水乙醇清洗后，于-40℃冷冻干燥箱中活化12h后制得Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料。
本发明的目的二的技术方案如下：
上述方法制备的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料在吸附废水中放射性核素中的应用，包括以下步骤：
取放射性核素溶液于离心管中，加入Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料作为吸附剂，调节pH，于恒温振荡器中震荡0.5-12h后离心分离，取上清液检测放射性核素的浓度，依据溶液中放射性核素的初始浓度C0和吸附后溶液中放射性核素的浓度Ce计算Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料吸附剂对放射性核素的吸附量和放射性核素的去除率。
进一步，所用的放射性核素选自下列之一：238U、152+154Eu、89Sr和137Cs。吸附温度为25-55℃(优选25℃)，pH为2-10(优选5)，放射性核素的初始浓度为40mg/L，所述吸附剂的质量浓度为10-300mg/L(优选50mg/L)。
发明的有益效果
(1)本发明方法获得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物吸附剂是一种新型的多元金属氧化物复合吸附剂材料，具有大的表面积、丰富的表面活性位点、良好的环境稳定性和优异的物理化学性能；
(2)本发明方法的制备过程简单，条件易于控制，易操作，生产成本低，工业化生产门槛低，易于推广；
(3)本发明首次采用Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料作为吸附剂用于放射性核素的去除，在t＝25℃，pH＝5，C0＝40mg/L，m/V＝50mg/L时，该新型材料对典型核素如238U的最大吸附量为517.48mg/g。具有吸附速率快和效率高等特点。
附图说明
图1为本发明实施例1中所述Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料的电镜图。
图2为本发明实施例1中所述Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料的N2吸脱附曲线图。
图3为本发明实施例1中所述Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料的红外光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于以下实施例。
实施例1：制备Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料
(1)6mmol硝酸钴、3mmol硝酸镍、1mmol钼酸铵、12mmol尿素与2mmol氟化氨溶解于40mL去离子水中，然后室温下搅拌1h得到均相溶液；
(2)得到的均相溶液转移至50mL高压反应釜，130℃的烘箱中加热5h，之后冷却至室温，离心，用大量的去离子水和无水乙醇交替洗涤；
(3)得到的样品置于-40℃的冷冻干燥箱中活化12h后得到Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料。
实施例2：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附238U溶液
(1)取50mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入40mg/L，pH＝5的硝酸铀酰溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例3：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于35℃吸附238U溶液
(1)取50mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入40mg/L，pH＝5的硝酸铀酰溶液，并置于35℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例4：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于45℃吸附238U溶液
(1)取50mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入40mg/L，pH＝5的硝酸铀酰溶液，并置于45℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例5：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于55℃吸附238U溶液
(1)取50mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入40mg/L，pH＝5的硝酸铀酰溶液，并置于55℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例6：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附238U溶液
(1)取50mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入40mg/L，pH＝2的硝酸铀酰溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例7：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附238U溶液
(1)取50mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入40mg/L，pH＝4的硝酸铀酰溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例8：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附238U溶液
(1)取50mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入40mg/L，pH＝7的硝酸铀酰溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例9：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附238U溶液
(1)取50mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入40mg/L，pH＝10的硝酸铀酰溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例10：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附238U溶液
(1)取50mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入10mg/L，pH＝5的硝酸铀酰溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例11：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附238U溶液
(1)取50mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入70mg/L，pH＝5的硝酸铀酰溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例12：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附238U溶液
(1)取50mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入120mg/L，pH＝5的硝酸铀酰溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例13：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附238U溶液
(1)取50mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入200mg/L，pH＝5的硝酸铀酰溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例14：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附238U溶液
(1)取10mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入40mg/L，pH＝5的硝酸铀酰溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例15：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附238U溶液
(1)取100mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入40mg/L，pH＝5的硝酸铀酰溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例16：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附238U溶液
(1)取200mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入40mg/L，pH＝5的硝酸铀酰溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例17：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附238U溶液
(1)取300mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入40mg/L，pH＝5的硝酸铀酰溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中238U的浓度；
(3)依据溶液中238U的初始浓度C0和吸附后溶液中238U的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例18：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附152+154Eu溶液
(1)取50mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入40mg/L，pH＝5的硝酸铕溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中152+154Eu的浓度；
(3)依据溶液中152+154Eu的初始浓度C0和吸附后溶液中152+154Eu的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例19：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附89Sr溶液
(1)取50mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入40mg/L，pH＝5的硝酸锶溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中89Sr的浓度；
(3)依据溶液中89Sr的初始浓度C0和吸附后溶液中89Sr的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
实施例20：取实施例1制得的Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料于25℃吸附137Cs溶液
(1)取50mg/L Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料加入40mg/L，pH＝5的硝酸铯溶液，并置于25℃的恒温振荡器中；
(2)分别在0.5/1/2/3/4/5/6/8/10/12h取样测定上清液中137Cs的浓度；
(3)依据溶液中137Cs的初始浓度C0和吸附后溶液中137Cs的浓度Ce计算得出吸附量；
(4)绘制吸附时间和吸附量的曲线图，结果如表一所示。
表一：不同实验条件下Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料的吸附量
Figure BDA0001652133380000091
Figure BDA0001652133380000101
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种三元金属氧化物材料在处理废水中放射性核素的应用，其特征在于，所述的三元金属氧化物材料通过以下步骤制备：
（A）将水溶性钴盐、水溶性镍盐、钼酸铵、尿素与氟化氨混合溶解于去离子水中，在室温下搅拌得到均相溶液；
（B）将步骤（A）制得的均相溶液转移至高压反应釜，加热反应，然后冷却至室温；
（C）将步骤（B）制得的晶体用去离子水和无水乙醇洗涤，干燥活化，制得Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料；
所述的应用包括以下步骤：
1）取放射性核素溶液，加入Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料作为吸附剂，调节pH，进行吸附；所述放射性核素选自下列之一：238U、152+154Eu、89Sr和137Cs；
2）将步骤1）所得物于恒温振荡器中振荡，然后离心分离；
3）取步骤2）所得物的上清液，检测放射性核素的浓度；
4）计算Co-Mo-Ni三元金属氧化物材料吸附剂对放射性核素的吸附量和放射性核素的去除率。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤（A）中所述水溶性钴盐为硝酸钴或氯化钴；所述水溶性镍盐为硝酸镍或氯化镍。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述硝酸钴、硝酸镍、钼酸铵、尿素与氟化氨的摩尔比为6：3：1：12：2。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤（B）中所述均相溶液在室温下搅拌1h后转移至高压反应釜，反应物在130℃烘箱中加热5h，之后冷却至室温。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤（C）中通过离心法得到所述晶体，所述干燥活化于-40 ℃冷冻干燥箱中活化12h。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤1）中所述pH为2-10，吸附温度为25-55℃；所述放射性核素溶液的初始浓度为10-200mg/L，所述吸附剂的质量浓度为10-300mg/L。
7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤2）中所述振荡的时间是0.5-12h。
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