单宁酸复合海藻酸钠微球富集U（Ⅵ）的性能

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-1233

摘要/Abstract

摘要：

随着核能的大力发展，开发环境友好型生物基吸附剂对放射性核素污染控制具有重要意义。采用混合交联法制备一种新型单宁酸复合海藻酸钠（TA/SA）微球，考察了TA和SA质量比、溶液pH、U（Ⅵ）初始浓度、接触时间和温度等因素对TA/SA吸附U（Ⅵ）行为的影响，并进行了吸附动力学和热力学研究，探讨了TA/SA微球对U（Ⅵ）的吸附机理。结果表明，TA和SA的最佳质量比为1∶2，pH对TA/SA微球吸附U（Ⅵ）效果的影响较小。在U（Ⅵ）质量浓度为50 mg/L，TA/SA微球投加量为0.1 g/L，溶液pH=4，温度为323 K，吸附时间为2 h时，TA/SA微球对U（Ⅵ）的最大吸附量为263.42 mg/g。TA/SA微球对U（Ⅵ）的吸附行为符合准二级反应动力学模型和Freundlich等温吸附模型，TA/SA微球对U（Ⅵ）的吸附是一个自发吸热过程，且反应可分为表面吸附、中孔内扩散和微孔内扩散3个阶段。TA/SA表面呈不规则沟壑状，内部是大量开孔的三维网状结构，还原反应在TA/SA微球对U（Ⅵ）的吸附中起主导作用。

关键词: 单宁酸, 海藻酸钠, 吸附, 放射性核素, 铀

Abstract:

With the rapid development of nuclear energy, the development of environmentally friendly bio-based adsorbents is of great significance for controlling radioactive nuclide pollution. A novel tannic acid and sodium alginate (TA/SA) composite microsphere was prepared using a mixed crosslinking method. The effects of TA/SA mass ratio, solution pH, initial concentration of U(Ⅵ), contact time, and temperature on the adsorption behavior of U(Ⅵ) by TA/SA microspheres were investigated, and the adsorption kinetics and thermodynamics were studied. The adsorption mechanism of TA/SA microspheres on U (Ⅵ) was also explored. The results showed that the optimal mass ratio of TA to SA was 1∶2, and pH had little effect on the adsorption of U(Ⅵ) by TA/SA microspheres. When the mass concentration of U(Ⅵ) was 50 mg/L, the dosage of TA/SA microspheres was 0.1 g/L, the solution pH was 4, the temperature was 323 K, and the contact time was 2 hours, the maximum adsorption capacity of TA/SA microspheres for U(Ⅵ) was 263.42 mg/g. The adsorption behavior conformed to the quasi second order kinetic model and Freundlich isotherm adsorption model. The adsorption of U(Ⅵ) by TA/SA microspheres was a spontaneous endothermic process, and the reaction could be divided into three stages, including surface adsorption, mesopore diffusion, and micropore diffusion. TA/SA microspheres had an irregular grooved surface and a three-dimensional network structure with numerous openings inside. The reduction reaction played a dominant role in the adsorption of U (Ⅵ) by TA/SA microspheres.

Key words: tannins, sodium alginate, adsorption, radioactive nuclide, uranium

中图分类号:

TQ424

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I1/58

图/表 16

图1 TA/SA微球制备过程

Fig.1 Preparation process of TA/SA microspheres

图2 TA/SA复合微球合成示意

Fig.2 Schematic of TA/SA composite microspheres synthesis

图3 TA和SA质量比对合成TA/SA微球吸附U（Ⅵ）性能的影响

Fig.3 Effect of TA and SA mass ratio on U（Ⅵ） adsorption by synthesized TA/SA microspheres

图4 TA/SA微球表面（a）和截面（b）的SEM

Fig.4 SEM of TA/SA microsphere surface（a） and cross-section（b）

图5 TA/SA微球的EDS

Fig.5 EDS of TA/SA microspheres

图6 TA/SA微球的FT-IR总谱（a）和细谱（b）

Fig.6 FT-IR total spectrum（a） and fine spectrum（b） of TA/SA microspheres

图7 pH对TA/SA微球吸附U（Ⅵ）性能的影响（a）及不同pH水溶液中U（Ⅵ）的形态分布（b）

Fig.7 Effect of pH on U （Ⅵ） adsorption by TA/SA microspheres（a） and morphological distribution of U（Ⅵ） in different pH water solutions（b）

图8 拟一级和拟二级反应动力学（a）及颗粒内扩散模型（b）拟合曲线

Fig.8 Fitting curves of pseudo-first and pseudo-second order reaction kinetics（a） and intra particle diffusion model（b）

表1 TA/SA微球吸附U（Ⅵ）的动力学模型拟合参数

Table 1 Fitting parameters of kinetic model for U（Ⅵ） adsorption by TA/SA microsphere

C ₀/（mg·L^-1）	拟一级反应动力学模型			拟二级反应动力学模型
C ₀/（mg·L^-1）	k ₁	q _e1，cal	R ²	k ₂	q _e2，cal	R ²
10	0.095	21.13	0.962	0.001	102.71	0.987
20	0.034	200.88	0.954	2.631	189.73	0.978
30	0.056	96.86	0.893	3.711	239.47	0.947

表2 TA/SA微球吸附U（Ⅵ）的颗粒内扩散模型拟合参数

Table 2 Fitting parameters of intra particle diffusion model for U（Ⅵ） adsorption by TA/SA microsphere

C ₀/（mg·L^-1）	表面吸附阶段			中孔内扩散阶段			微孔内扩散阶段
C ₀/（mg·L^-1）	C ₁	k _d1	R ²	C ₂	k _d2	R ²	C ₃	k _d3	R ²
10	-3.23	19.43	0.933	47.61	6.06	0.980	96.45	0.16	0.866
20	-2.77	21.43	0.972	12.61	15.37	0.941	166.50	0.64	0.782
30	5.08	36.59	0.979	51.44	18.11	0.995	224.48	0.47	0.641

图9 Langmuir和Freundlich吸附等温线拟合曲线

Fig.9 Fitting curves of Langmuir and Freundlich adsorption isotherm models

表3 TA/SA微球对U（Ⅵ）的吸附等温线模型拟合参数

Table 3 Fitting parameters of adsorption isotherm model of TA/SA microspheres for U（Ⅵ）

T/K	Langmuir模型			Freundlich模型
T/K	q _m	K _L	R ²	K _F	n	R ²
303	240.76	0.956	0.846	115.11	3.999	0.991
313	254.36	1.109	0.791	123.08	3.875	0.987
323	263.42	1.182	0.799	131.78	4.003	0.980

图10 TA/SA微球吸附U（Ⅵ）的热力学拟合曲线

Fig.10 Thermodynamic fitting curve of U（Ⅵ） adsorption by TA/SA microspheres

表4 TA/SA微球吸附U（Ⅵ）的热力学参数

Table 4 Thermodynamic parameters of U（Ⅵ） adsorption by TA/SA microspheres

T/K	ΔG ⁰/（kJ·mol^-1）	ΔH ⁰/（kJ·mol^-1）	ΔS ⁰/（J·mol^-1·K^-1）
303	-4.87	1.813	22.08
313	-5.10
323	-5.33

图11 吸附U（Ⅵ）前后TA/SA微球的XPS谱图

Fig.11 XPS spectra of TA/SA microspheres before and after adsorption of U（Ⅵ）

图12 TA/SA微球对U（Ⅵ）的吸附机理

Fig.12 Adsorption mechanism of TA/SA microspheres for U（Ⅵ）

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