介孔硅/海藻酸钠复合材料的制备及其对放射性Sr<sup>2+</sup>的去除

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0099

摘要/Abstract

摘要：

核能的广泛使用给废水处理带来了新的挑战，亟待开发具有应用前景的吸附材料处理含放射性元素废水。通过包埋法构建介孔硅（HMSS、MCM-41、SBA-15）/海藻酸钠（SA）复合材料，探究原料配比、溶液pH、吸附时间、初始Sr²⁺质量浓度、吸附剂投加量、竞争离子对复合材料吸附Sr²⁺性能的影响。通过傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）以及能谱仪（EDS）对吸附前后的复合材料进行表征分析。结果表明：在T=298 K、pH=7.0、t=240 min的条件下，HMSS/SA（1∶3）、MCM-41/SA（1∶3）、SBA-15/SA（1∶3）对Sr²⁺的平衡吸附容量分别达到49.67、40.54、34.90 mg/g。吸附过程符合Langmuir等温模型和准二级反应动力学模型，吸附过程是以单层吸附为主的化学吸附。在竞争离子Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺存在的情况下，对Sr²⁺吸附抑制程度遵循Na⁺≈K⁺<Mg²⁺<Ca²⁺，并在Cs⁺、Sr²⁺共存体系中，对Sr²⁺仍拥有较高的选择性。此外，HMSS/SA（1∶3）、MCM-41/SA（1∶3）和SBA-15/SA（1∶3）拥有良好的循环使用性能。

关键词: 介孔硅, 锶, 放射性废水, 吸附

Abstract:

The extensive use of nuclear energy has brought new challenges to nuclear wastewater treatment, and it is urgent to develop absorptive materials with promising applications. The mesoporous silica(HMSS, MCM-41, SBA-15)/sodium alginate(SA) composites were constructed by embedding method, and the effects of raw material ratio, pH, adsorption time, initial concentration, adsorbent dosage, and competing ions on the Sr²⁺ adsorption performance of composite materials were explored. The composite materials before and after adsorption were characterized by fourier transform spectroscopy(FT-IR), scanning electron microscopy(SEM) and energy dispersive spectroscopy(EDS). The results showed that under the conditions of T=298 K, pH=7.0, t=240 min, the saturated adsorption capacities of HMSS/SA(1∶3), MCM-41/SA(1∶3) and SBA-15/SA(1∶3) for Sr²⁺ could reach 49.67, 40.54 mg/g and 34.90 mg/g, respectively. The adsorption process was consistent with the Langmuir isotherm model and the pseudo-second-order reaction kinetics model, indicating that chemical adsorption characterized by monolayer adsorption was primarily involved. In the presence of competing ions Na⁺, K⁺, Ca²⁺ and Mg²⁺, the inhibitory strength followed Na⁺≈K⁺<Mg²⁺<Ca²⁺, and still a high selectivity for Sr²⁺ in Cs⁺ and Sr²⁺ systems. In addition, HMSS/SA(1∶3), MCM-41/SA(1∶3) and SBA-15/SA(1∶3) had good recycling performance.

Key words: mesoporous silica, strontium, radioactive wastewater, adsorption

中图分类号:

X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I3/90

图/表 12

图1 HMSS、SA、HMSS/SA、MCM-41/SA及SBA-15/SA的FT-IR

Fig.1 FT-IR of HMSS，SA，HMSS/SA，MCM-41/SA and SBA-15/SA

图2 SA的SEM及HMSS/SA、MCM-41/SA和SBA-15/SA吸附Sr²⁺前后SEM

Fig.2 SEM images of SA，and SEM images of HMSS/SA，MCM-41/SA，SBA-15/SA before and after Sr²⁺adsorption

图3 HMSS/SA、MCM-41/SA及SBA-15/SA吸附Sr²⁺前后EDS

Fig.3 EDS of HMSS/SA，MCM-41/SA，SBA-15/SA before and after Sr²⁺ adsorption

图4 原料配比对复合材料吸附性能的影响

Fig.4 Effect of raw material ratio on adsorption of composite material

图5 pH对复合材料吸附性能的影响

Fig.5 Effect of pH on adsorption of composite material

图6 吸附时间对复合材料吸附性能的影响及反应动力学模型拟合

Fig.6 Effect of adsorption time on adsorption properties of composite materials and fitting of reaction kinetics model

表1 吸附动力学拟合参数

Table 1 Adsorption kinetic fitting parameters

复合材料	准一级反应动力学			准二级反应动力学
复合材料	q _e/（mg·g^-1）	k ₁/min^-1	R ²	q _e/（mg·g^-1）	k ₂/（g·mg^-1·min^-1）	R ²
HMSS/SA	24.22	0.096 5	0.981 6	25.64	0.006 6	0.996 4
MCM-41/SA	20.03	0.038 5	0.976 2	22.12	0.002 3	0.994 1
SBA-15/SA	18.50	0.039 5	0.974 8	20.39	0.002 6	0.991 1

图7 Sr²⁺初始质量浓度对复合材料吸附性能的影响及Langmuir、Freundlich吸附等温线

Fig.7 Effect of Sr²⁺ initial mass concentration on adsorption properties of composites and Langmuir，Freundlich adsorption isotherm

表2 吸附等温方程拟合参数

Table 2 Parameters of adsorption isothermal models

复合材料	Langmuir			Freundlich
复合材料	q _e/（mg·g^-1）	K _L/（L·mg^-1）	R ²	n	K _F/（L^1/ ⁿ ·mg^1-1/ ⁿ ·g^-1）	R ²
HMSS/SA	49.67	0.015 2	0.991 9	5.210 1	0.351 6	0.967 5
MCM-41/SA	40.54	0.015 4	0.986 0	4.048 1	0.360 6	0.972 0
SBA-15/SA	34.90	0.020 3	0.988 3	4.669 0	0.317 8	0.972 9

图8 投加量对吸附性能的影响

Fig.8 Effect of dosage on adsorption

图9 竞争离子对吸附性能的影响

Fig.9 Effect of competing ions on adsorption

图10 重复使用性能

Fig.10 Recycling performance

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