南华大学1 衡阳市建设工程造价管理2
摘要：随着核工业以及核电产业的迅猛发展，对天然铀的需求也是不断地增加。铀矿开采之后蛀牙用于核试验研究。核武器开发以及核电站作用。铀铀尾矿中存在的放射性核素以及其相关的废弃物，都给环境带来了很多不利影响。本文主要探讨改性粉煤炭材料制备及对铀的吸附性能研究。
关键词：铀 粉煤灰 吸附性 研究
引言
在铀尾矿库中，由于产生铀矿冶废物数量太多，其放置以及处理的方式无法像处理高放射性污染物一样来进行固化隔离处理，所以只能将铀矿冶废弃物就地埋放且覆盖隔离的方法来进行处置。正是由于这个原因，铀尾矿废弃物需要储存在地址适宜且经过精心建造的且一直处于运行正常状态的铀矿库旁边。就算是这样，在尾矿运输管破裂、大坝破裂、尾矿硫冲击堤坝或者大雨淹没尾矿坝时，有很大地可能导致大多数尾矿废石以及其他放射性污染物向环境中扩散。同时尾矿库设计不合理或者使用时间过长也会造成严重渗漏浸入土壤及地下水，放射性核素也很容易在雨水的冲刷下迁移进入到地下水，对周边的人类和生态环境产生了极大的危害。
1 铀污染废水概述
1.1 铀污染废水的来源
大规模发展和利用核能产生的大量含铀放射性废水对自然环境造成了严重威胁。世界各国对生产排放废水和天然水体中铀的允许含量都出台了明确标准。为了降低废水中的铀含量，科研人员对含铀废水的处理进行了大量研究。
铀元素具有多种价态， 其中IV与VI是最为常见价态，较其他价态要稳定。铀的主要氧化物是UO2和U3O8等，其中U3O8是最稳定的。铀在水中主要以U4+，UO2+和UO22+三种离子形式存在，主要以四价离子和六价离子存在，所有离子中UO22+的稳定性最高。铀污染废水的来源比较广泛，总结起来主要包括以下几个方面：首先是铀矿冶炼生产中加工天然铀矿产生的废水。此种废水主要在两个阶段产生，一是铀矿石开采过程中产生的含铀和钍等放射性废水，二是在铀资源的生产加工过程中产生的含铀废水，这部分废水中铀浓度较高，危险性较大其中可能还含有微量铀、钍、镭等元素且废水产量较大，需要大规模处理。其次是核反应堆相关废水。近年来我国大力倡导使用核能等清洁能源，核电产业得到迅速发展，对铀资源的需求日益扩大。开采出的铀资源在核反应堆后主要以运行废水和处理废水的方式排出。前者危险性较小，但是一旦反应堆发生事故泄漏到环境中就会对环境造成长期污染，后续影响较大；后者浓度高，放射性强，存在巨大危险。另外还有由医院、科研机构等排放的含铀污染废水，这类废水放射性活度不高，但含有的放射性物质种类较多、存在的化学形式较复杂，处理难度大，但总体来说危害不大。
1.2 铀污染废水的危害
铀是一种广泛分布在自然环境中的天然放射性重金属元素，其半衰期可达到4.5×109年。铀在具有与镉、铅、汞等重金属一样的化学毒性的同时还有放射性。这是一种自发地释放原子内能量与粒子的方式，可以造成化学键的断裂以及生物细胞的损伤，其影响类似于化学毒性，因此称之为“放射毒性”。铀的化学毒性主要是由于铀进入动物体内后溶解于体液，形成可与体内细胞结合作用的铀酰离子，从而破坏组织功能。
表1 铀衰变辐射射线危害及特点
铀的放射毒性源于自身衰变。自然界中的铀的三种同位素在发生衰变的同时辐射出以α、β、γ射线为主的多种射线。其中α射线对于生物的伤害比β射线和γ射线要高出数倍，但由于α射线本质为高速运动的氦原子核的粒子束，较大的质量导致其穿透能力弱，在空气中的射程只有几厘米，故其在生物体外的威胁较小；但是其一旦被摄入生物体内，则会诱导相邻的器官组织细胞发生突变，造成不可恢复的伤害。人类遭受辐射后的临床表现主要有：脱发、白血球和血小板减少从而引发白血病等癌症，当辐射剂量超过生物体某一限值时，极有可能会导致死亡。如表1.1所示为铀衰变辐射出三种射线的危害。
研究发现，铀元素可以通过多种吸道吸入、伤口感染、消化道吸收、皮肤吸收以及遗传等途径进入人体。铀元素被动植物吸收后不参与体内任何生物功能的过程，只能在生物体内积累，造成慢性或急性中毒。研究发现铀元素被人体吸收后会进入到人体器脏和骨骼中，根据剂量的大小，轻则造成脏器损伤，重则诱发癌症；同时试验发现，浓缩铀具有生殖毒性，可引起遗传物质损伤，导致胎鼠畸形或显性突变死亡。显然，铀元素积累在水环境和土壤中会对生态环境和人体健康造成极大威胁。
由于放射性铀对人体的器官产生严重的毒害作用，一旦进入人体后会长期在体内富集，很难排出体外，因此很多国家以及一些国际组织，均对此安全问题给予了极大重视。各国以及国际组织制定了限制铀排放的标准。
2 铀污染废水的传统处理方法及研究现状
铀矿冶以及铀冶炼行业产生的废水是含铀废水的的主要来源，废水中铀的质量浓度可高达约5mg/L，远高于天然水体中铀的浓度（0.5μg/L）和允许排放的浓度（0.04mg/L）。所以铀矿冶、铀冶炼等产生含铀废水的行业排放出的废水必须经过合理有效的处理 后再排入自然环境中。各研究机构对其处理方法的研究早已展开。常规的处理方法主要有絮凝沉淀法、膜分离法，离子交换法、蒸发浓缩法、材料吸附法和生物方法。各方法的主要特点如表2所示：
表2 铀污染废传统处理方法
3 粉煤灰在水处理中的作用机理
粉煤灰在水处理中的作用机理包括吸附作用、接触絮凝作用、沉淀作用、过滤作用，其中占主要作用的是吸附作用，其他接触絮凝、沉淀以及过滤等作用起协同作用。
3.1吸附作用
粉煤灰一般都为多孔晶质矿物、多孔玻璃体、多孔炭粒的高分散混合物质，其比表面积很大，并且其表面上的原子力均不饱和，存在着一定的表面能，可以吸附水中的污染物。粉煤灰的吸附机理包括物理吸附、化学吸附以及离子交换吸附等。
物理吸附作用是由于粉煤灰的多孔性与吸附物质污染物分子之间的范德华力产生的吸附。其吸附主要受粉煤灰的比表面积和其多孔结构的影响，比表面积越大，吸附的越多。当然，粉煤灰的其他物理性质也会同时影响着其物理吸附作用。
化学吸附主要是由于粉煤灰中的化学物质成分，其中存在着大量的氧化硅化学键、氧化铝化学键，当这些化学键与具有一定极性的污染物分子相遇时，分子间产生偶极-偶极键的作用形成化学吸附，或者是阴离子与粉煤灰中的带正电的硅酸铝、硅酸钙和硅酸铁之间形成离子交换或离子对的化学作用的吸附。
通常情况下，物理吸附和化学吸附作用机理一般是两种作用共同作用，但是在不用的处理条件下，比如说不同的PH值或者不同温度下，物理吸附作用和化学作用表现出的优势会有所变化，粉煤灰的吸附能力也有所改变。
3.2 接触絮凝作用
粉煤灰中的一些其他物质成分还能与污水中的其他有害物质形成吸附-絮凝物质，使污染物质形成絮凝物质沉淀下来，比如说氧化钙等。絮凝剂指的粉煤灰中的带有正电性的基团与污水中的带有负电性的粒子处于胶着状态，降低其电势，是分子物质处于不稳定状态，并利用其聚合性质使这些颗粒集中在一起，并通过物理或者化学方法分离出来。并且粉煤灰中的氧化铝和氧化铁可在酸性的条件下形成三价铁离子和三价铁离子，可作为絮凝剂使用。当粉煤灰放入污水中，污水中悬浮的污染物粒子会与粉煤灰中的铝离子和铁离子絮凝产生絮凝沉淀，吸附在粉煤灰表面。
3.3 沉淀作用
粉煤灰中的碱性物质可以中和污水中的酸性物质形成絮凝体，在污水和粉煤灰混合后，形成的絮凝物在重力作用下能够迅速下沉，使大部分污染物与水分离，使之实现污水净化的作用。
3.4 过滤作用
由于粉煤灰的多孔性结构，比表面积大，孔隙率达60%~80%之间。当含有大量悬浮物质的污水通过粉煤灰时，一部分悬浮物会被粉煤灰截流下来，实现污水的初步净化。
粉煤灰在水处理过程中除了上述的四种作用机理达到初步净化的作用，当然，还有污水中的PH值、反应的温度和时间、污染物的初始浓度、污水中的污染物的性质、粉煤灰的或化程度、粉煤灰的粒径以及比表面积等因素也会对污水处理的效果产生一定的影响。
4 粉煤灰对铀的吸附试验
4.1 材料与方法
4.2 粉煤灰改性分析
（1）改性的结构粉刺
粉煤灰主要是由各种晶体结构构成，由表2.1中的化学成分组成，晶体主要包括石英（主要是SiO2）、莫来石（主要包括3Al2O3•2SiO2）、磁铁矿等，并且它们的结构都是四氧化硅等四面体网架结构，只不过晶体顺序长短不一。
附录
附录A 铀标准溶液的配制及测定方法
1. 铀标准溶液的配制
用电子天平精确称取八氧化三铀(U3O8)1.1792 g，放入100 mL烧杯中。依次加入浓盐酸 10 mL，过氧化氢 3 mL，浓硝酸两滴，加盖表面皿，平稳放置同时连续摇动3分钟，待剧烈反应停止后，用砂浴加热直至固体完全溶解，取出冷却，移入1000 mL容量瓶中，加超纯水稀释至刻度，摇匀，得到1 mg/mL铀标准溶液。准确量取50 mL铀标准溶液，移入500 mL容量瓶，加1mL浓HCl，加超纯水稀释至刻度，摇匀。此铀溶液浓度为0.1 mg/mL。
2. 5-Br-padap分光光度法测量铀浓度
取待测样液10 mL加入25ml容量瓶，依次加入：
(1)5 ml混合掩蔽剂；
(2) 1滴0.1%酚酞；
(3) 滴加1:1 NH3•H2O至容量瓶中溶液变红；
(4) 滴加1:1 HCl至容量瓶中溶液变无色；
(5) 2 ml缓冲液；
(6) 6 ml丙酮；
(7) 1 ml络合指示剂 (0.05% 5-Br-PADAP乙醇溶液)；
(8) 用纯水稀释至刻度，定容摇匀，放置45min后，于分光光度计上，在波长578nm处，以试剂空白为参比，测其吸光度。
3．主要用到混合掩蔽剂等试剂的配置方法
(1) 混合掩蔽剂：称取25 g 1，2-环巳二胺四乙酸（简称CYDTA），5 g NaF，均加入800 ml超纯水中，继续加入75g磺基水杨酸后，加NaOH溶液至CYDTA溶解，并用HCl和NH3•H2O将溶液pH 调至7.8，加超纯水稀释至1000 ml。
(2) 0.1% 酚酞溶液：用乙醇溶解定容；
(3) 缓冲溶液：量取180 ml三乙醇胺，加入600 ml水中。用HCl中和至pH 7.8，加4~5g活性炭后搅拌，放置过夜，然后过滤，将溶液pH调至7.8，用超纯水稀释至1000ml摇匀备用。
(4) 络合指示剂 (0.05%5-Br-PADAP乙醇溶液)：量取0.5 g Br-PADAP，加入1000 ml无水乙醇溶解。
附录B 铀标准曲线
分别配置0.4mg/L、0.8 mg/L、1.2 mg/L、1.6 mg/L、2.0 mg/L铀标准溶液，按照5-Br-padap分光光度法用1cm光径比色皿测定吸光度，以吸光度为横坐标，铀含量为纵坐标测得标准曲线如下：
线性方程 y=0.28729x+0.00171 (其中x为铀浓度，y为吸光度)
相关系数 R2= 0.99893
5结束语
铀矿的开采以及水冶过程都会排放出大量的废液，这些废液如果处理不当会对周围生态环境构成潜在威胁。如何以较低成本回收废液中的铀就显得至关重要[3-4]。铀矿开采和水冶过程排出的废水中铀浓度低且共存离子多，因此对铀进行选择性富集成为了研究的难点和焦点。常规处理方法对铀的选择性分离程度不高，难以将铀从共存离子中有效分离出来，最终实现铀的回收。因此，研究开发对铀具有高选择性的分离方法和功能材料具有非常现实的理论和实际意义。
论文作者:谢玺
论文发表刊物:《基层建设》2016年第33期
论文发表时间:2017/3/6
标签：废水论文; 作用论文; 粉煤灰论文; 铀矿论文; 溶液论文; 放射性论文; 絮凝论文; 《基层建设》2016年第33期论文;