放射性廢水的處理是采用相關(guān)技術(shù)將放射性核素從廢水中分離出來，使其達(dá)到安全排放，從而減少對環(huán)境的輻射危害。常用的放射性廢水的核素分離技術(shù)主要有離子交換、吸附劑吸附、溶劑萃取等，其中應(yīng)用最為廣泛的是離子交換工藝。近年來，隨著處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，在放射性廢水處理中陸續(xù)開發(fā)出了一些新技術(shù)，如膜法、微生物法、植物修復(fù)法、零價(jià)鐵處理法等。其中零價(jià)鐵處理法由于具有處理效率高、成本低廉、工藝程序簡單、可長時(shí)間自動運(yùn)行等諸多優(yōu)點(diǎn)，在含鈾廢水處理領(lǐng)域受到了人們的日益重視。而納米級零價(jià)鐵因具有更大的比表面積、更高的反應(yīng)活性，受到水處理研究者的推崇。Wismut 公司和德國褐煤蠟技術(shù)公司為礦坑水就地去污開發(fā)了納米級零價(jià)鐵和褐煤組成的反應(yīng)材料，試驗(yàn)證明其對去除其中的重金屬、放射性核素和硝基芳香族化合物非常有效。
筆者研究了納米級零價(jià)鐵對含鈾(Ⅵ)廢水中鈾的去除效果，考察了納米級零價(jià)鐵投加量、pH 及競爭離子等因素對處理效果的影響，以期為使用該方法工業(yè)化處理含鈾廢水提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
儀器：MUA 型微量鈾分析儀，北京羽綸科技有限責(zé)任公司;pHS-3A 型數(shù)字酸度計(jì)，廈門第二分析儀器廠;78HW-1 型恒溫加熱磁力攪拌器，杭州儀表電機(jī)有限公司。
試劑：納米級零價(jià)鐵，自制。
實(shí)驗(yàn)用水：含鈾(Ⅵ)模擬廢水，鈾(Ⅵ)質(zhì)量濃度為10 mg/L。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
稱取一定量的納米鐵，置于含鈾(Ⅵ)模擬廢水中，在不同的反應(yīng)條件(納米鐵投加量、pH、反應(yīng)溫度、雜質(zhì)離子等)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)一定時(shí)間后，測定反應(yīng)后溶液中的鈾(Ⅵ)質(zhì)量濃度，計(jì)算鈾去除率。
1.3 分析方法
鈾濃度采用MUA 型微量鈾分析儀進(jìn)行測定。
2 結(jié)果與討論
2.1 納米鐵投加量對處理效果的影響
在200 mL 初始質(zhì)量濃度為10 mg/L 的含鈾(Ⅵ)模擬廢水中投加不同質(zhì)量的納米鐵，在反應(yīng)溫度為30 ℃、pH=5 的條件下，考察納米鐵投加量對處理效果的影響。
在最初的10 min 內(nèi)，隨著納米鐵加入量的增加，反應(yīng)速率增大，這是因?yàn)殡S著納米鐵投加量的增大，溶液中納米鐵的表面積亦增大，吸附和反應(yīng)活性位增多，因而反應(yīng)速率加快。但是當(dāng)納米鐵投加量>4.0 g(20 g/L)時(shí)，60 min 后鈾去除率沒有較大變化，均約為99%。為了能使后續(xù)實(shí)驗(yàn)中的零價(jià)鐵保持過量狀態(tài)，確定納米鐵投加質(zhì)量濃度為 30.0 g/L。
2.2 廢水初始pH 對處理效果的影響
在含鈾(Ⅵ)廢水初始質(zhì)量濃度為10 mg/L，納米鐵投加質(zhì)量濃度為30.0 g/L ，反應(yīng)時(shí)間為60 min，反應(yīng)溫度為30 ℃的條件下，考察廢水初始pH 對處理效果的影響。
當(dāng)pH 為3~5 時(shí)，納米鐵對鈾的去除率較高，這說明弱酸性條件有利于納米鐵對鈾(Ⅵ)的還原。這是由于當(dāng)pH 為3~5 時(shí)，廢水中的鈾主要以鈾(Ⅵ)存在〔3〕，而納米鐵去除鈾(Ⅵ)的主要機(jī)理為納米鐵把鈾(Ⅵ)還原為鈾(Ⅳ)。
當(dāng)pH>7 時(shí)，鈾去除率很低，一方面是由于此條件下鈾的存在形態(tài)不利于反應(yīng)的進(jìn)行; 另一方面是由于在堿性條件下，納米鐵表面易氧化生成氫氧化鐵或碳酸鐵鈍化層，使納米鐵的反應(yīng)活性降低，不利于還原反應(yīng)的進(jìn)行。
2.3 溫度對處理效果的影響
在含鈾(Ⅵ)廢水初始質(zhì)量濃度為10 mg/L，pH= 5，納米鐵投加質(zhì)量濃度為30.0 g/L，反應(yīng)時(shí)間為 60 min 的條件下，考察溫度對處理效果的影響。
隨著溶液溫度的升高，納米鐵對鈾的去除率沒有明顯變化，鈾去除率均約為 99%，根據(jù)這種現(xiàn)象可以推測，反應(yīng)不受溶液溫度的影響，在實(shí)際處理過程中可以不考慮溶液的溫度。
2.4 雜質(zhì)離子對處理效果的影響
在pH=5，納米鐵投加質(zhì)量濃度為30.0 g/L，溫度為室溫，反應(yīng)時(shí)間為60 min 的條件下，在200 mL 初始質(zhì)量濃度為10 mg/L 的含鈾(Ⅵ)模擬廢水中選擇加入10 mmol/L 的雜質(zhì)離子，考察其對處理效果的影響。
陽離子中，Na+對鈾去除率沒有影響，而Mg2+、Ca2+和Al3+的存在可使鈾的去除率有細(xì)微的提高。這可能是由于Mg2+、Ca2+、Al3+產(chǎn)生的少量的氫氧化物對鈾有一定的吸附，導(dǎo)致鈾去除率有一定的增大。
陰離子中，Cl-對鈾去除率基本沒有影響，SO42- 在一定程度上抑制了鈾的去除，而H2PO4 - 、CO32- 則顯著影響鈾的去除，導(dǎo)致鈾去除率從99%降為89% 左右。這可能與離子競爭有關(guān)，Cl-是一價(jià)離子，對UO22+ 競爭能力很弱;SO42- 、CO32- 是二價(jià)離子，而 H2PO4 -電離后以三價(jià)離子存在，其具有較強(qiáng)的離子競爭能力，因此會顯著影響鈾的去除。
2.5 納米鐵與普通鐵對鈾(Ⅵ)的還原效果比較
在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，分別取2.0 g 普通鐵及納米鐵，使其分別與初始質(zhì)量濃度為10 mg/L 的模擬含鈾(Ⅵ)廢水于pH=5 下進(jìn)行反應(yīng)，對測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按一級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律擬合，求得反應(yīng)速率常數(shù)。
在相同條件下，納米鐵對鈾(Ⅵ)的去除率明顯高于普通鐵粉，納米鐵還原鈾(Ⅵ)的速率常數(shù)比普通鐵提高了約15 倍。這主要是因?yàn)榧{米鐵的比表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鐵粉，在溶液中易形成懸浮的膠體，與UO22+反應(yīng)更充分。
3 結(jié)論
(1)pH 對鈾(Ⅵ)去除率影響顯著，弱酸性條件有利于鈾(Ⅵ)的去除;堿性條件下，因納米鐵表面發(fā)生鈍化而使鈾(Ⅵ)去除率大大降低。
(2)常見的陽離子對鈾(Ⅵ)去除率沒有明顯影響，但二價(jià)陰離子SO42-、CO32-對鈾(Ⅵ)去除率影響顯著。
(3)在相同條件下，納米鐵對鈾(Ⅵ)的去除效果明顯優(yōu)于普通鐵粉，還原速率常數(shù)比普通鐵粉提高了15 倍。
