改性沸石吸附-微滤一体化装置去除水中铯和锶

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0566

摘要/Abstract

摘要：

自制了一种吸附-微滤一体化的装置，用于去除原水中的核素离子铯和锶。吸附剂采用亚铁氰酸盐负载改性的沸石，首先探究了最优改性方式，筛选出了效果最佳的吸附剂应用于吸附-微滤装置，并利用搭载能量色散X射线光谱仪的扫描电子显微镜（SEM-EDX）与X射线衍射仪（XRD）证实了亚铁氰化铜成功负载于人造沸石表面。吸附-微滤装置对铯、锶的去除效果良好，且同时起到了固液分离的作用。铯、锶质量浓度均为5 mg/L时，去除率达98%以上，出水浊度保持在0.15 NTU左右，且运行500 min后通量下降比率较小，具有长期运行潜力。

关键词: 吸附-微滤, 放射性核素, 亚铁氰酸盐, 改性沸石

Abstract:

An integrated device of adsorption⁃microfiltration process was self⁃made for the removal of cesium and strontium ions from raw water. The permutite was modified by ferrocyanide，used as adsorbents in this system. Firstly，the optimal modification method was explored，with which the best effect was selected for adsorption⁃microfiltration process. It was confirmed by scanning electron microscope with an energy⁃dispersive X-ray spectrometer（SEM-EDX） and X-ray diffraction spectrometer（XRD） that copper ferrocyanide was successfully loaded on the surface of permutite. The adsorption⁃microfiltration process had a great removal efficiency of cesium and strontium ions，meanwhile，and the system played a good role of solid⁃liquid separation. When the concentration of cesium and strontium ions was 5 mg/L，it removed more than 98% nuclides. The turbidity of permeate water maintained about 0.15 NTU，and the flux decline was small after its running 500 min，which indicated it had potential for long⁃term operation.

Key words: adsorption?microfiltration, radionuclides, ferrocyanide, modified permutite

中图分类号:

X703
TQ424

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I1/92

图/表 13

表1 膜组件参数

Table 1 Related parameters of membrane component

参数	数值
膜面积	0.038 5 m²
膜形状	中空板式
过滤方式	外压或内吸式
材质	α-Al₂O₃、ZrO₂
标准孔径	0.1 μm
纯水通量	5~6 L/（m²·h·kPa）
使用pH范围	2~12
使用温度	0~60 ℃
操作压力	<0.15 MPa

图 1 吸附-微滤工艺试验装置

Fig. 1 The adsorption-microfiltration process test device

表2 吸附-微滤试验工艺参数

Table 2 Operation parameters of adsorption⁃microfiltration test process

参数	数值
出水流量	0.6 L/h
膜面积	0.038 5 m²
膜工作通量	15.6 L/（m²·h）
高液位容积	1.8 L
周期处理能力	3 L
周期运行时间	300 min
膜分离器处理能力	0.6 L/h
水力停留时间	2.5 h
曝气量	60 L/h

图 2 不同种类沸石和阳离子交换树脂对铯和锶的吸附效果

Fig. 2 Adsorption efficiency of cesium and strontium by different zeolites and cation exchange resin

表3 铯和锶在不同种类沸石和阳离子交换树脂上的吸附动力学拟合结果

Table 3 Adsorption kinetics fitting results of cesium and strontium by different zeolites and cation exchange resin

沸石种类	铯			锶
沸石种类	q _e/（mg·g^-1）	K ₂/min^-1	R ²	q _e/（mg·g^-1）	K ₂/min^-1	R ²
人造沸石	0.865	0.361	0.999 9	0.956	0.875	0.999 9
丝光沸石	0.858	0.162	0.999 7	0.952	0.743	0.999 9
斜发沸石	0.821	0.196	0.999 6	0.941	0.802	0.999 8
阳离子交换树脂	0.864	0.049	0.996 7	0.952	0.293	0.999 9

图 3 不同浓度Cu（NO₃）₂/Ni（NO₃）₂溶液处理后的沸石对锶与铯的去除效果

Fig. 3 Removal of strontium and cesium by permutite treated with different concentrations of Cu（NO₃）₂/Ni（NO₃）₂ solution

图 4 沸石改性前后SEM与表面元素的EDX分析

Fig. 4 SEM images of permutite with the corresponding EDX spectra

图5 沸石改性前后的XRD

Fig. 5 The XRD analysis of permutite

图6 沸石吸附铯和锶的Langmuir吸附等温线

Fig. 6 Langmuir adsorption isotherms of cesium and strontium by permutite

表4 沸石吸附铯和锶的Langmuir等温方程拟合结果

Table 4 Langmuir adsorption model fitting parameters of cesium and strontium onto permutite

种类	铯			锶
种类	q _m/（mg·g^-1）	b/（L·mg^-1）	R ²	q _m/（mg·g^-1）	b/（L·mg^-1）	R ²
改性沸石	117.21	0.103	0.996 6	100.43	0.109	0.996 7
原沸石	35.13	0.068	0.993 6	40.22	0.064	0.992 0

图7 吸附-微滤装置的运行效果（a）铯、锶离子去除效果（b）膜分离器进出水浊度情况

Fig. 7 Treatment effect of adsorption-microfiltration progress

图8 进水铯、锶浓度对吸附-微滤装置吸附铯与锶吸附效果的影响

Fig. 8 Effect of influent cesium and strontium concentration on adsorption efficiency of cesium and strontium by adsorption-microfiltration device

图9 不同吸附剂投加量下吸附-微滤装置对铯与锶的吸附效果

Fig. 9 Effect of different adsorbent dosage on adsorption-microfiltration process

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