本發(fā)明涉及無機(jī)材料領(lǐng)域,特別涉及一種磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑的工業(yè)化制備方法及其產(chǎn)品與應(yīng)用。
背景技術(shù):
核電作為一種重要的清潔能源,正在逐漸成為我國能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。日本福島核事故中,放射性廢液的快速高效去除成為事故后處理的關(guān)鍵問題。以福島事故為警示,在我國建立核電站事故應(yīng)急機(jī)制、開展放射性廢液應(yīng)急處理技術(shù)研究,是非常重要和緊迫的。
以福島的處理工藝為例,放射性廢液由于與損壞的反應(yīng)堆燃料元件和其它被污染的組件接觸,污染程度各不相同,總量達(dá)110000噸,放射性污染水平達(dá)到1Ci/L的量級(jí),其中134/137Cs是主要的輻射來源(Hijikata et.al.,2014;Tsukada et.Al.,2014)。
日本福島事故中所用放射性廢液處理系統(tǒng)可分為四個(gè)部分(Gay et.al.,2012):1)采用油水分離工藝以去除廢水中的油類物質(zhì),以保障后續(xù)工藝的正常運(yùn)行,分離裝置來自日本東芝公司;2)采用美國Kurion公司提供的無機(jī)吸附劑去除Cs;3)采用法國Avera公司提供的化學(xué)共沉淀工藝進(jìn)一步去除Cs和Sr;4)采用反滲透裝置和蒸發(fā)濃縮工藝進(jìn)行除鹽精處理,裝置來自采用日立公司、Avera公司和東芝公司。在該工藝中通過Kurion的吸附和Avera的共沉淀兩步工藝,134Cs和137Cs的去污因子為105~106(Fournel et.al.,2012),其中采用了菱沸石為除銫吸附劑(Rhodes et.al.,2012),在化學(xué)共沉淀工藝中采用了亞鐵氰化物(Denton et.al.,2012),Cs+最終以Cs2NiFe(CN)6的形式沉淀下來。該處理系統(tǒng)該系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于:無機(jī)吸附劑對(duì)痕量放射性核素離子的選擇性強(qiáng),可適用于高含鹽量的海水冷卻水;無機(jī)吸附劑大幅地降低了廢液的放射性,有效地保障了后續(xù)膜工藝的運(yùn)行和輻射防護(hù);此外無機(jī)吸附劑相比于樹脂,放射性廢物產(chǎn)生量小,后處理更簡單安全。但該工藝中使用的菱沸石吸附劑吸附速率不夠快,仍然難以滿足事故條件下大量放射性廢液快速處理的要求。
過渡金屬離子穩(wěn)定的亞鐵氰化物是一類高效沉淀和固定Cs離子的無機(jī)材料(Ambashta et.al.,2003;Mimura et.al.,1997;Vrtoch et.al.,2011;Zhang et.al.,2009),對(duì)Cs+的選擇性系數(shù)可達(dá)1500000(Pickett et.al.,2002),并且在很寬的pH值范圍內(nèi)都能保持對(duì)Cs+高效吸附。例如,亞鐵氰化銅鉀在pH為1.1的情況下對(duì)銫仍能保持21.7mg/g的吸附容量(Sangvanich et.al.,2010)。但是亞鐵氰化物顆粒粒徑小,容易形成膠體,無法直接應(yīng)用于常見的填充床操作中,也難以進(jìn)行固液相分離。而利用加熱、陳化等方法將其制備成粒徑較大的材料,又使得材料內(nèi)部傳質(zhì)阻力大,吸附速率小,最終導(dǎo)致吸附容量低。于是有研究者用溶膠凝膠法將亞鐵氰化物負(fù)載于多孔載體之上,形成復(fù)合吸附劑(Chang et.al.,2008;Hu et.al.,2012;Liu et.al.,2009)。復(fù)合亞鐵氰化鈷鉀對(duì)銫的吸附容量能達(dá)到46.6mg/g(Lehto et.al.,1987)。以TiCl4為原料,采用常用于制備高效液相色譜填料的方法,將二氧化鈦溶膠加入到尿素和六亞甲基四胺溶液中,混合后加入含表面活性劑的煤油中,制備水合二氧化鈦凝膠顆粒;然后將得到的二氧化鈦顆粒浸泡于亞鐵氰化鉀和鹽酸混合溶液中,可以制備出亞鐵氰化鈦鉀球形顆粒(徐世平et.al.,1997)。這種方法解決了亞鐵氰化物難以球形化的問題,但合成的材料比表面積較小,且材料中仍然殘留大量的有機(jī)物,在處理放射性廢液之后進(jìn)行的煅燒固化階段容易發(fā)生爆炸。
本課題組在亞鐵氰化物的固載化成型方面做了大量工作,例如:第一種是采用硅溶膠原位固定技術(shù)制備了亞鐵氰化鈷鉀與多孔SiO2的雜化材料,對(duì)Cs+的吸附容量可達(dá)0.335meq Cs/g-adsorbent(中國專利CN200710064453.0);第二種是以成型的硅膠小球與鈦酸四丁酯反應(yīng)形成表面包覆TiO2的復(fù)合載體,再將該載體浸泡于亞鐵氰化鉀的鹽酸溶液中,獲得球形亞鐵氰化鈦鉀/小球硅膠雜化材料(中國專利200710122085.0);第三種是采用磁核包覆技術(shù),在以水化學(xué)方法制備的亞微米級(jí)Fe3O4表面包覆保護(hù)層SiO2,之后在其上通過溶膠凝膠技術(shù)或沉積沉淀技術(shù)負(fù)載不同的金屬離子M過渡層(M=Ti、Zr、Zn、Fe、Cu、Co、Ni等),最后將磁性載體浸漬于亞鐵氰化鉀的鹽酸溶液中,獲得微米級(jí)磁性亞鐵氰化物吸附劑(中國專利ZL 2012 1 0347269.8)。該吸附劑具有高效吸附Cs離子的能力之外,還可以通過外加磁場實(shí)現(xiàn)固液相的分離。
在上述眾多亞鐵氰化物的固載化方法中,采用磁核包覆技術(shù)制得的磁性亞鐵氰化物吸附劑由于其可以通過外加磁場實(shí)現(xiàn)固液相分離的特性而特別令人感興趣。然而,迄今為止所制備的磁性亞鐵氰化物吸附劑均是采用人工合成的具有高表面活性的Fe3O4室內(nèi)米粒子作為核心,因而所得到的吸附劑通常具有幾微米的顆粒尺寸。例如,在中國專利CN102836693中,所得到的磁性亞鐵氰化物吸附劑粒徑為0.2至5微米。這樣顆粒尺寸大小的吸附劑在工業(yè)應(yīng)用中的范圍有限,難以推廣。
工業(yè)磁粉具有成本低、獲得容易的特點(diǎn)。從工業(yè)角度出發(fā),將其作為核心以上述磁核包覆技術(shù)來制備磁性亞鐵氰化物吸附劑是令人感興趣的。另外工業(yè)磁粉的自沉降性能好,比較適合于工業(yè)應(yīng)用。然而,這種工業(yè)磁粉具有粒徑較大、表面致密、比表面積小、表面活性羥基官能團(tuán)少的特點(diǎn),因而對(duì)其進(jìn)行表面生長和/或表面包覆在技術(shù)上存在一定的難度;按照現(xiàn)有技術(shù)的方法還無法制備以工業(yè)磁粉為核心的磁性亞鐵氰化物吸附劑。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明在前期磁性吸附劑研制以及中試放大制備的基礎(chǔ)上,提供一種工業(yè)規(guī)?;苽浯藕税残蛠嗚F氰化鈦鉀的方法及其產(chǎn)品,所得吸附劑可用于去除放射性廢液中Cs離子,或者其他液體環(huán)境中的穩(wěn)定Cs同位素。
本發(fā)明一種工業(yè)規(guī)模化制備磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑的制備方法中所用到的生產(chǎn)線,主要設(shè)備包括:反應(yīng)釜、離心機(jī)、自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)、真空烘箱、電熱蒸箱、鼓風(fēng)烘房等。離心機(jī)設(shè)置在反應(yīng)釜下方,反應(yīng)釜設(shè)置有自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng),自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)可以采用蠕動(dòng)泵。自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)也稱作自動(dòng)流加系統(tǒng)。
本發(fā)明一種工業(yè)規(guī)?;苽浯藕税残蛠嗚F氰化鈦鉀吸附劑的制備方法,該方法包括以下步驟:
選擇采用工業(yè)磁粉或自制磁粉為載體;
(1)第一次包硅:首先在1號(hào)反應(yīng)釜中依次加入無水乙醇和正硅酸乙酯(TEOS),開啟攪拌槳20min使TEOS溶解均勻,在連續(xù)攪拌下從固體加料口加入磁粉,開啟油浴加熱系統(tǒng)使溫度達(dá)到30℃,并繼續(xù)攪拌2h;接著通過自動(dòng)流加系統(tǒng)加入濃氨水,并通過pH自動(dòng)連鎖控制,使反應(yīng)體系在pH不低于11.5的條件下反應(yīng)1h;之后通過自動(dòng)流加系統(tǒng)加入純水,在攪拌下反應(yīng)5~10h。反應(yīng)結(jié)束后打開反應(yīng)釜底的出料閥門,物料進(jìn)入反應(yīng)釜下面的離心機(jī)進(jìn)行固液分離,固體物料用清水沖洗,直到離心機(jī)出水pH降低至9。所獲得固體物料記為FeSi1。
(2)第二次包硅:預(yù)先配制1mol/L的硫酸溶液和濃度為5~20%的硅酸鈉溶液備用。在2號(hào)反應(yīng)釜中加入純水,在攪拌條件下加入步驟(1)所獲的固體物料FeSi1,開啟油浴加熱系統(tǒng)使溫度達(dá)到90℃,采用自動(dòng)流加系統(tǒng)兩路同時(shí)分別滴加硅酸鈉溶液和硫酸溶液,用自動(dòng)pH控制使整個(gè)滴加過程中體系pH=9.5,直到全部硅酸鈉溶液滴加完畢,停止滴加硫酸溶液,使體系在攪拌條件下反應(yīng)5~10h。反應(yīng)結(jié)束后打開反應(yīng)釜底的出料閥門,物料進(jìn)入反應(yīng)釜下面的離心機(jī)進(jìn)行固液分離,固體物料用清水沖洗,直到離心機(jī)出水pH降低至7~8。將固體物料放入鼓風(fēng)烘房烘至徹底干燥,所獲得固體物料記為FeSi2。
(3)吸附包鈦過程:在干燥無水的3號(hào)反應(yīng)釜中加入乙醇或異丙醇,再繼續(xù)加入鈦酸四丁酯,開啟攪拌器使溶解均勻。將干燥的固體物料FeSi2加入到反應(yīng)器中,攪拌1h后,停止攪拌靜置3h。之后打開反應(yīng)釜底的出料口閥門,物料進(jìn)入反應(yīng)釜下面的離心機(jī)進(jìn)行固液分離,排出的液體用干燥的桶收集。獲得的固體材料放置在真空烘箱內(nèi),在50℃下抽真空,脫除溶劑乙醇或異丙醇。獲得的固體物料記為FeSiTi1。
(4)氣相水解包鈦過程:將步驟(3)獲得的固體物料FeSiTi1均分放入電熱蒸箱內(nèi)的多個(gè)托盤中,開啟蒸箱,在高溫和一定的壓力下使水蒸氣與鈦酸四丁酯發(fā)生水解反應(yīng)2~4h,在材料表面生成TiO2包覆層。采用該方法可以抑制易在溶液相(例如水相)反應(yīng)中出現(xiàn)的鈦源均相水解現(xiàn)象,提高TiO2的負(fù)載量和保護(hù)層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。反應(yīng)后的物料放入鼓風(fēng)烘箱內(nèi)在120℃下徹底烘干。獲得的固體物料記為FeSiTi2。
(5)吸附劑包覆過程:在4號(hào)反應(yīng)釜中加入純水,在攪拌的條件下采用自動(dòng)流加系統(tǒng)加入濃鹽酸,使鹽酸的濃度為0.5~1.0mol/L;繼續(xù)加入亞鐵氰化鉀,攪拌均勻后使其濃度達(dá)到15wt%~40wt%。在反應(yīng)釜內(nèi)加入固體物料FeSiTi2,并在30℃下浸泡進(jìn)行24h,期間每隔3~4h攪拌30min。待反應(yīng)結(jié)束后,打開反應(yīng)釜底的出料閥門,物料進(jìn)入反應(yīng)釜下面的離心機(jī)進(jìn)行固液分離,溶液收集在一個(gè)潔凈的儲(chǔ)液桶中。所獲得的固體物料用清水沖洗,直到離心機(jī)出水為淺綠色或無色。將固體物料放入鼓風(fēng)烘房烘至徹底干燥,所獲得固體物料即為目標(biāo)的磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑。
進(jìn)一步,所述步驟(1)~(5)中,磁粉采用Fe3O4或其他任何鐵基磁性材料,顆粒度≤80目(即180微米)??刹捎霉I(yè)級(jí)Fe3O4磁粉,顆粒度優(yōu)選80~120目(120微米-180微米)。在本發(fā)明的上下文中,“工業(yè)級(jí)磁粉”是指,直接由礦石研磨、篩分得到的具有磁性的粉末狀顆粒,其通常具有120微米或更大(即具有120目或更低目數(shù))的顆粒尺寸。這種工業(yè)磁粉具有表面致密、比表面積小、表面活性羥基官能團(tuán)少的特點(diǎn),因而對(duì)其進(jìn)行表面生長和/或表面包覆在技術(shù)上存在一定的難度。本發(fā)明的發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn),采用兩步包硅法可以在工業(yè)磁粉表面,例如顆粒具有80-120目顆粒尺寸的工業(yè)Fe3O4磁粉表面,形成包覆完整的SiO2保護(hù)層,從而保護(hù)Fe3O4在酸性溶液中不易溶出。
進(jìn)一步,所述步驟(1)中,有機(jī)溶劑可以是乙醇、丙醇或異丙醇等;硅源可以是正硅酸甲酯或正硅酸乙酯。
進(jìn)一步,所述步驟(1)中,有機(jī)硅源的量與磁鐵粉質(zhì)量相關(guān),Si:Fe3O4=5wt%~10wt%;有機(jī)硅源與醇的體積比例為1:5~1:10,加入的純水與醇的體積比為1:5~1:10;
進(jìn)一步,所述步驟(1)中,加入的堿液可以是濃氨水、NaOH溶液、Na2CO3溶液等。堿液的加入總量及滴加速度受反應(yīng)體系pH控制,保證整個(gè)反應(yīng)過程中pH不低于11.5。
進(jìn)一步,所述步驟(1)中,反應(yīng)溫度為20~50℃,反應(yīng)時(shí)間為5~10h。所述步驟(1)中,濾出廢液用精餾裝置進(jìn)行水/醇分離,獲得95%的回收醇重復(fù)應(yīng)用。
進(jìn)一步,所述步驟(2)中,初始純水和磁粉的加入量滿足固液相質(zhì)量比為1∶1~1∶5,硅酸鈉的量與磁粉質(zhì)量相關(guān),為Si:Fe3O4=5wt%~10wt%,硅酸鈉溶液的濃度配制為5~20wt%,采用稀酸溶液調(diào)節(jié)pH=9~10之間,稀酸溶液采用濃度為0.2~1mol/L稀硫酸或稀鹽酸,反應(yīng)時(shí)間為5~10h。
進(jìn)一步,所述步驟(2)中,配制硫酸溶液的濃度為1mol/L;硫酸的加入量受反應(yīng)體系pH控制,保證整個(gè)反應(yīng)過程中pH=9.5。步驟(2)中也可以采用鹽酸溶液。
進(jìn)一步,所述步驟(2)中,反應(yīng)溫度為80~90℃,反應(yīng)時(shí)間為5~10h。
進(jìn)一步,所述步驟(2)中所獲得中間體FeSi2需要徹底烘干。
進(jìn)一步,所述步驟(3)中,將包覆了二氧化硅層的工業(yè)磁粉在無水狀態(tài)下在鈦源中進(jìn)行浸漬。在本發(fā)明的上下文中,“鈦源”是指為吸附劑提供元素Ti的物質(zhì),其包括,但不限于鈦酸四烷基酯和四氯化鈦,優(yōu)選選自由鈦酸四甲基酯、鈦酸四乙基酯、鈦酸四丙基酯、鈦酸四丁基酯或其組合組成的組,更優(yōu)選選自鈦酸四丁基酯。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中,將鈦酸四丁酯作為鈦源在無水狀態(tài)下進(jìn)行浸漬。
進(jìn)一步,所述步驟(3)中,采用鈦酸四丁酯為鈦源,Ti:Fe3O4=5wt%~10wt%;采用溶劑為無水乙醇、無水異丙醇或者無水丙醇;二者體積比為1∶2~1∶4。
進(jìn)一步,所述步驟(3)中,所獲固體產(chǎn)物需要在低溫真空下去除大量的有機(jī)溶劑,溫度為40~50℃。
進(jìn)一步,所述步驟(4)中,氣相水解溫度為100℃~120℃,壓力為0.05~0.08MPa;水解后的材料在常壓120℃的鼓風(fēng)烘箱內(nèi)干燥。
進(jìn)一步,為提高TiO2的負(fù)載量,重復(fù)所述步驟(3)和(4)2~3次,使得吸附劑表面Ti的含量達(dá)到Ti/磁粉大于5wt%。
進(jìn)一步,所述步驟(5)中,F(xiàn)e3O4與純水質(zhì)量比為1∶3~1∶5,反應(yīng)液中鹽酸的濃度為0.5~1.0mol/L;亞鐵氰化鉀濃度為15wt%~40wt%。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,使用亞鐵氰化鉀作為亞鐵氰化物以提供吸附活性組分。然而,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解,工業(yè)上容易得到的其他亞鐵氰化物,諸如亞鐵氰化鈉,由于其與亞鐵氰化鉀相似的化學(xué)性質(zhì),同樣也適用于本發(fā)明。
本發(fā)明的發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn),在本發(fā)明的步驟(5)中,表面反應(yīng)可以在較少量無機(jī)酸的存在下以較高的固-液相質(zhì)量比來實(shí)施,而未對(duì)反應(yīng)效果產(chǎn)生不利影響。與中國專利CN102836693A中公開的磁核包覆型亞鐵氰化物吸附劑的制備過程相比,本發(fā)明的方法使得隨后的后處理步驟更加容易,減少了廢水排放,有利于環(huán)境。
進(jìn)一步,所述步驟(5)中,所述后處理的具體步驟為:反應(yīng)后所得的沉淀物經(jīng)離心機(jī)分離后,用清水清洗,直至離心機(jī)出口液體為淺綠色或無色,沉淀物經(jīng)120℃干燥,獲得目標(biāo)磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑。
由上述制備方法制備所得的磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑,也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。該磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑的內(nèi)核為磁粉顆粒(優(yōu)選小于120目,即大于120微米),在所述磁粉顆粒外表面由里向外分別設(shè)置有二氧化硅覆膜層和亞鐵氰化鈦鉀覆膜層。這種大粒徑磁粉顆粒作為核心的磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑是新穎的。
本發(fā)明的發(fā)明人還驚訝地發(fā)現(xiàn),根據(jù)本發(fā)明的磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、吸附性能高的特點(diǎn)。這種吸附劑由于可以吸附放射性同位素Cs離子,也可以吸附穩(wěn)定性同位素Cs離子,因此具有廣闊的應(yīng)用前景。例如,可以通過吸附作用用于實(shí)現(xiàn)分離和/或去除和/或提取放射性同位素Cs離子,也可以用于分離和/或去除和/或提取穩(wěn)定性同位素Cs離子的應(yīng)用。因此,根據(jù)本發(fā)明的磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑在吸附(包括去除或分離或提取)放射性同位素Cs離子和吸附(包括去除或分離或提取)穩(wěn)定同位素Cs離子的應(yīng)用,也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
上述磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀除銫吸附劑在去除放射性同位素Cs離子和去除穩(wěn)定同位素Cs離子的應(yīng)用方法,采用序批式動(dòng)態(tài)吸附反應(yīng)器模式進(jìn)行廢液處理。所述反應(yīng)器設(shè)計(jì)為兩路并聯(lián),每一路分為兩級(jí)。
本發(fā)明在80~120目的工業(yè)Fe3O4磁粉表面首先采用兩步反應(yīng)法包覆完整的SiO2保護(hù)層,使Fe3O4在酸性溶液中不易溶出;接著采用鈦酸四丁酯/醇溶液浸漬和氣相水解的方法,在高溫高壓水蒸氣作用下制備過渡包覆層TiO2,克服了在溶液相容易發(fā)生的Ti4+均相水解作用,提高了TiO2的負(fù)載量和結(jié)合強(qiáng)度;最后采用溶液相表面反應(yīng)的方法將亞鐵氰化鉀與TiO2層反應(yīng),使生成的活性亞鐵氰化鈦鉀吸附劑組分牢固地生長在磁核表面,制成具有磁性的除銫吸附劑。
附圖說明
圖1是規(guī)模化制備磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑的生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2是實(shí)施例1所獲得磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑對(duì)Cs+的吸附等溫線;
圖3是酸度對(duì)實(shí)施例1所獲得M-PTH(磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑的英文縮寫)的zeta電位及其除銫性能的影響;
圖4是溶液中陽離子(0.01mol/L)對(duì)實(shí)施例1所獲得M-PTH吸附Cs+性能的影響;
圖5是實(shí)施例1所獲得M-PTH材料在不同投加量下的Cs+吸附動(dòng)力學(xué)曲線;
圖6是序批式反應(yīng)器工作原理示意圖;
圖7是兩路兩級(jí)序批式動(dòng)態(tài)吸附反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖;
圖8是實(shí)施例1所獲得M-PTH在兩路兩級(jí)序批式反應(yīng)器中各處理批次的去污因子變化;
圖9是實(shí)施例2所獲得亞鐵氰化鈦鉀吸附劑紅外光譜;
圖10是實(shí)施例2所獲得M-PTH在兩級(jí)序批式反應(yīng)器中各處理批次去污因子變化。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述,但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。所述方法如無特別說明均為常規(guī)方法,所述原材料及檢測所用標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)試劑如無特別說明均能從公開商業(yè)途徑獲得。
在以下的實(shí)施例中,吸附劑分別進(jìn)行了靜態(tài)吸附和序批式吸附反應(yīng)器性能試驗(yàn)測定,吸附前后Cs+離子的濃度采用等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)來測定,吸附劑性能采用分配系數(shù)Kd和去污系數(shù)DF來表示。
靜態(tài)吸附測定中,一定量的吸附劑加入到50mL的離心管中,置于恒溫?fù)u床上搖動(dòng)48h~72h,測定吸附前后的Cs+離子濃度,吸附劑性能采用分配系數(shù)Kd和去污系數(shù)DF來表示。吸附分配系數(shù)Kd(mL/g)如下式(1)所示,其中C0和Ct分別為被吸附離子的初始濃度以及達(dá)到吸附平衡后濃度,F(xiàn)為被處理溶液體積(mL)與吸附劑質(zhì)量(mg)之比。去污系數(shù)如下式(2)所示,為被吸附離子的進(jìn)水濃度與達(dá)到吸附平衡后的出水濃度的比值。一般吸附分配系數(shù)說明了吸附材料本身的特性,Kd值在105以上的說明吸附劑的性能良好;去污系數(shù)的大小不僅與材料本身的吸附特性相關(guān),也與吸附劑的用量相關(guān),該值越大說明污染物去除得越干凈。
Kd=(Co-Ct)×F×1000/Ct (1)
動(dòng)態(tài)吸附性能采用序批式反應(yīng)器進(jìn)行,其工作過程如圖6所示分為四個(gè)階段,分別為進(jìn)水、吸附、沉淀、出水。假設(shè)處理量為1t/h,進(jìn)水濃度為1.5mg/L,去污因子大于1000,進(jìn)水、吸附、沉淀、出水階段各2.5min,則一個(gè)處理循環(huán)需要10min,每小時(shí)能處理6個(gè)循環(huán),則單個(gè)反應(yīng)器的有效體積需要167L。反應(yīng)器設(shè)計(jì)為兩路并聯(lián),每一路分為兩級(jí),如圖7所示,當(dāng)反應(yīng)器中吸附劑耗盡時(shí)需要進(jìn)行更換。采用去污系數(shù)DF來表示兩級(jí)的Cs+去污效果。
實(shí)施例1:公斤級(jí)吸附劑的實(shí)驗(yàn)室制備
在實(shí)驗(yàn)室玻璃反應(yīng)釜中進(jìn)行了公斤級(jí)磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑的制備,步驟如下:
選擇采用工業(yè)磁粉或自制磁粉為載體;
(1)在反應(yīng)釜中依次加入8L無水乙醇和1L正硅酸乙酯(TEOS),連續(xù)攪拌20min使TEOS溶解均勻,之后加入4kg粒度為100目左右的磁鐵粉,水浴加熱使溫度一直保持在30℃下繼續(xù)攪拌2h;接著緩慢滴加濃氨水約2L,通過堿催化誘發(fā)TEOS水解形成SiO2,隨著反應(yīng)的進(jìn)行會(huì)出現(xiàn)pH的降低。過程中用pH計(jì)在線測定,通過滴加氨水控制反應(yīng)在pH始終不低于11.5的條件下反應(yīng)2h,直到觀察pH不出現(xiàn)降低現(xiàn)象為止。之后滴加純水2L,在攪拌下反應(yīng)5~10h。反應(yīng)結(jié)束后從反應(yīng)釜底出料,采用磁場進(jìn)行固液分離,并將固體物料用清水沖洗,直到出水pH降低至9。所獲得固體物料記為FeSi1。
(2)預(yù)先配制2L濃度1mol/L的硫酸溶液和4L濃度為5wt%的硅酸鈉溶液備用。在反應(yīng)釜中加入純水8L,在攪拌條件下加入固體物料FeSi1,開啟水浴加熱系統(tǒng)使溫度達(dá)到90℃;采用雙股并流方法同時(shí)滴加硅酸鈉溶液和硫酸溶液,用pH計(jì)在線測定,控制整個(gè)滴加過程中體系pH=9.5,直到全部硅酸鈉溶液滴加完畢,停止滴加硫酸溶液,使體系在攪拌條件下反應(yīng)5~10h。反應(yīng)結(jié)束后從反應(yīng)釜底出料,采用磁場進(jìn)行固液分離,并將固體物料用清水沖洗,直到出水pH降低至7~8。將固體物料放入鼓風(fēng)烘箱內(nèi)120℃下徹底干燥,所獲得固體物料記為FeSi2。
(3)在干燥無水的大燒杯內(nèi)加入1.5L異丙醇和1L鈦酸四丁酯,用臺(tái)式攪拌器攪拌使溶解均勻。將干燥固體物料FeSi2加入大燒杯中,攪拌1h后,停止攪拌靜置3h。之后用干燥的抽濾裝置進(jìn)行固液分離,濾出液體收集于干燥瓶中密封,量體積約為0.8L。固體材料放置在真空烘箱內(nèi),在50℃下抽真空,脫除異丙醇。獲得的固體物料記為FeSiTi1。
(4)將固體物料FeSiTi1放入高壓鍋,在高溫蒸汽作用下進(jìn)行氣相水解2~4h,在材料表面生成TiO2包覆層。反應(yīng)后的物料放入鼓風(fēng)烘箱內(nèi)在120℃下徹底烘干。獲得的固體物料記為FeSiTi2。
(5)重復(fù)以上(3)和(4)步驟2次,以提高材料表面TiO2的包覆量,第2次和第3次吸附混合溶液體積約為2L。
(6)在反應(yīng)釜中加入5L純水和10L濃度為1mol/L的鹽酸,在攪拌下加入亞鐵氰化鉀5kg,攪拌使溶解均勻。在反應(yīng)釜內(nèi)加入固體物料FeSiTi2,并在30℃下浸泡進(jìn)行48h,期間每隔3~4h攪拌30min。反應(yīng)結(jié)束后用抽濾裝置進(jìn)行固液分離,濾液收集于潔凈的試劑瓶中。所獲固體物料用清水沖洗直到出水為淺綠色或無色,之后放入鼓風(fēng)烘箱內(nèi)于120℃干燥徹底,樣品記為M-PTH。
圖2為樣品M-PTH對(duì)Cs+離子的吸附等溫線,結(jié)果表明:M-PTH對(duì)Cs+的吸附比斜發(fā)沸石和絲光沸石更有利,當(dāng)溶液中Cs+的平衡濃度從0.006mg/L增大到1.959mg/L時(shí),M-PTH對(duì)Cs+的平衡吸附容量從0.014mg/mg增大到了0.070mg/mg;而在同樣的范圍內(nèi),兩種沸石材料對(duì)Cs+的平衡吸附容量只從0.004mg/mg增大到0.044mg/mg。
圖3為三種材料對(duì)Cs+的去除率以及M-PTH的zeta電位在不同pH下的變化情況,MPTH在很寬的pH值范圍內(nèi)(pH=1~11)都能保持對(duì)Cs+有90%以上的去除率,尤其是在偏酸性的pH值范圍內(nèi)(pH=1~5),M-PTH的去除率要明顯高于兩種沸石材料。而在pH值高于11之后,三種材料對(duì)Cs+的去除效率都明顯降低。M-PTH的zeta電位圖表明在測量的pH值范圍內(nèi)(pH=2~10)吸附劑表面帶負(fù)電,從而促進(jìn)了Cs+在吸附劑表面雙電層內(nèi)的擴(kuò)散以及與H+的交換;在強(qiáng)堿性(pH>11)溶液中M-PTH材料可能會(huì)發(fā)生分解,從而導(dǎo)致其對(duì)Cs+的吸附效果下降。
圖4為待處理放射性廢液中共存的非放陽離子(0.01mol/L)對(duì)實(shí)施例1所獲M-PTH吸附Cs+性能的影響,從中可見相同價(jià)態(tài)的陽離子對(duì)最大吸附容量的影響基本相同;一價(jià)離子與二價(jià)離子對(duì)吸附容量的影響也基本相同,均降為0.058mg/mg左右;相比于一價(jià)離子和二價(jià)離子,三價(jià)離子對(duì)吸附容量的影響稍大,降至0.035mg/mg左右。
圖5是實(shí)施例1所獲M-PTH材料在不同投加量下的Cs+吸附動(dòng)力學(xué)曲線,從中可見相同吸附劑投加量下M-PTH對(duì)Cs+的吸附速率明顯大于沸石,這也意味著在吸附去除Cs+的過程中,M-PTH能適應(yīng)較小的固液相接觸時(shí)間和較大的水處理量。
圖8是采用兩路兩級(jí)序批式反應(yīng)器測定的M-PTH動(dòng)態(tài)除銫性能,從結(jié)果中可見在初始階段,第一級(jí)的去污因子大于1000,隨著處理批次的增加,第一級(jí)的去污因子逐漸減小,意味著一級(jí)出水濃度逐漸增大,此時(shí)第二級(jí)反應(yīng)器發(fā)揮的作用越來越明顯,因此,第二級(jí)的去污因子隨著處理批次的增加而增大;兩級(jí)反應(yīng)器的總體去污因子在處理70批原水之后仍能保持大于1000。在滿足去污因子大于1000的條件下,處理70L原水產(chǎn)生的富集Cs+的廢棄吸附劑僅40g(約10mL),處理量與廢物產(chǎn)生量的體積比為7000。
實(shí)施例2:磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑的工業(yè)化制備
在生產(chǎn)線上進(jìn)行磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑的放大制備。
選擇采用工業(yè)磁粉或自制磁粉為載體;
(1)第一次包硅:首先在1號(hào)反應(yīng)釜中依次加入無水乙醇和正硅酸乙酯(TEOS),二者體積比為8:1,開啟攪拌槳20min使TEOS溶解均勻,在連續(xù)攪拌下從固體加料口加入磁鐵粉,開啟油浴加熱系統(tǒng)使溫度達(dá)到30℃,并繼續(xù)攪拌2h;接著通過自動(dòng)流加系統(tǒng)加入濃度為1mol/L的NaOH溶液,并通過pH自動(dòng)連鎖控制,使反應(yīng)體系在pH不低于11.5的條件下反應(yīng)1h;之后通過自動(dòng)流加系統(tǒng)加入純水,水/乙醇體積比為1∶8,在攪拌下反應(yīng)5~10h。反應(yīng)結(jié)束后打開反應(yīng)釜底的出料閥門,物料進(jìn)入反應(yīng)釜下面的離心機(jī)進(jìn)行固液分離,固體物料用清水沖洗,直到離心機(jī)出水pH降低至9。所獲得固體物料記為FeSi1;濾出廢液用精餾裝置進(jìn)行水/乙醇分離,獲得95%的回收乙醇可以重復(fù)應(yīng)用。
(2)第二次包硅:預(yù)先配制1mol/L的硫酸溶液和濃度為5wt%的硅酸鈉溶液備用。在2號(hào)反應(yīng)釜中加入純水,在攪拌條件下加入步驟(1)所獲的固體物料FeSi1,使固液相質(zhì)量比為1∶2。開啟油浴加熱系統(tǒng)使溫度達(dá)到90℃,采用自動(dòng)流加系統(tǒng)兩路同時(shí)分別滴加硅酸鈉溶液和硫酸溶液,用自動(dòng)pH控制使整個(gè)滴加過程中體系pH=9.5,直到全部硅酸鈉溶液滴加完畢,停止滴加硫酸溶液,使體系在攪拌條件下反應(yīng)5~10h。反應(yīng)結(jié)束后打開反應(yīng)釜底的出料閥門,物料進(jìn)入反應(yīng)釜下面的離心機(jī)進(jìn)行固液分離,固體物料用清水沖洗,直到離心機(jī)出水pH降低至7~8,濾出堿性廢液用桶收集。將固體物料放入鼓風(fēng)烘房烘至徹底干燥,所獲得固體物料記為FeSi2。
(3)吸附包鈦過程:在嚴(yán)格干燥無水的3號(hào)反應(yīng)釜中加入乙醇和鈦酸四丁酯,二者體積比為1.5:1,開啟攪拌器使溶解均勻。將干燥的固體物料FeSi2加入到反應(yīng)器中,攪拌1h后,停止攪拌靜置3h。之后打開反應(yīng)釜底的出料口閥門,物料進(jìn)入反應(yīng)釜下面的離心機(jī)進(jìn)行固液分離,排出的液體用干燥的桶收集。獲得的固體材料放置在真空烘箱內(nèi),在50℃下抽真空,脫除溶劑乙醇。獲得的固體物料記為FeSiTi1。
(4)氣相水解包鈦過程:將步驟(3)獲得的固體物料FeSiTi1均分放入電熱蒸箱內(nèi)的多個(gè)托盤中,開啟蒸箱,在高溫和一定的壓力下使水蒸氣與鈦酸四丁酯發(fā)生水解反應(yīng)2~4h,在材料表面生成TiO2包覆層。反應(yīng)后的物料放入鼓風(fēng)烘箱內(nèi)在120℃下徹底烘干。獲得的固體物料記為FeSiTi2。
(5)重復(fù)以上(3)和(4)步驟2次,以提高材料表面TiO2的包覆量。
(6)吸附劑包覆過程:在4號(hào)反應(yīng)釜中加入純水,在攪拌的條件下采用自動(dòng)流加系統(tǒng)加入濃鹽酸,使鹽酸的濃度為0.5~1.0mol/L;繼續(xù)加入亞鐵氰化鉀,攪拌均勻后使其濃度達(dá)到30wt%。在反應(yīng)釜內(nèi)加入固體物料FeSiTi2,并在30℃下浸泡進(jìn)行24~48h,期間每隔3~4h攪拌30min。待反應(yīng)結(jié)束后,打開反應(yīng)釜底的出料閥門,物料進(jìn)入反應(yīng)釜下面的離心機(jī)進(jìn)行固液分離,溶液收集在一個(gè)潔凈的儲(chǔ)液桶中。所獲得的固體物料用清水沖洗,直到離心機(jī)出水為淺綠色或無色。將固體物料放入鼓風(fēng)烘房烘至徹底干燥,所獲得固體物料即為目標(biāo)的磁核包覆型亞鐵氰化鈦鉀吸附劑。
所獲得吸附劑經(jīng)X射線熒光分析可知,Si的包覆量為6.4wt%,Ti的包覆量為6.2wt%,經(jīng)傅里葉變換紅外光譜檢測(參見圖9),材料表面形成了良好的亞鐵氰化物活性結(jié)構(gòu)。
圖10為采用兩路兩級(jí)序批式反應(yīng)器測定吸附劑對(duì)Cs+的去除性能。每個(gè)批次處理原水20升,處理量為100L/h。從結(jié)果中可見,隨著處理批次的增加,第一級(jí)的去污因子逐漸減小,第二級(jí)的去污因子逐漸增大,兩級(jí)反應(yīng)器的總體去污因子逐漸降低,在處理約30個(gè)批次原水之后降為1000,處理約70個(gè)批次原水之后降為100。在滿足去污因子大于1000的條件下,按處理30個(gè)批次計(jì)算,處理600L原水產(chǎn)生的富集Cs+的廢棄吸附劑為800g(一級(jí)反應(yīng)器中吸附劑投加量,約200mL),處理量與廢物產(chǎn)生量的體積比為3000。在滿足去污因子大于100的條件下,相應(yīng)體積比為7000。
上面通過具體實(shí)施例的方式對(duì)本發(fā)明的各個(gè)方面進(jìn)行了解釋,但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解:本發(fā)明并不僅限于上面所描述的具體實(shí)施方式,本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本文所公開的各種具體技術(shù)手段、原料、工藝步驟等所做的等效替換和以及各種技術(shù)手段、原料、工藝步驟等的組合都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
為了進(jìn)一步舉例說明本發(fā)明的某些方面,本發(fā)明還具體地提供了如下的一些非限制性實(shí)施方式:
1.一種用于制備磁核包覆型亞鐵氰化物吸附劑的方法,其特征在于,所述方法包括以下步驟:
(1)在磁粉的存在下,使有機(jī)硅源的醇溶液在不低于11.5的pH下進(jìn)行液相水解,從而在所述磁粉表面包覆SiO2,由此得到中間體FeSi1;
(2)在所述FeSi1的存在下,使硅酸鹽進(jìn)行液相水解,從而在所述FeSi1表面進(jìn)一步包覆SiO2,如此得到中間體FeSi2;
(3)在無水條件下,通過吸附的方法在FeSi2表面負(fù)載鈦源,從而得到表面負(fù)載有鈦源的中間體FeSiTi1;
(4)在高溫高壓條件下,使所述FeSiTi1中的鈦源與水蒸氣反應(yīng)進(jìn)行氣相水解,從而得到表面包覆有TiO2層的中間體FeSiTi2;
(5)通過將中間體FeSiTi2與酸性亞鐵氰化物溶液接觸使亞鐵氰化物包覆所述FeSiTi2,再經(jīng)后處理得到所述磁核包覆型亞鐵氰化物吸附劑。
2.如實(shí)施方式1所述的制備方法,其特征在于,所述磁粉具有小于120目(大于120微米)的顆粒尺寸,優(yōu)選具有在80-120目(120微米-180微米)范圍內(nèi)的顆粒尺寸。
3.如實(shí)施方式1所述的制備方法,其特征在于,在所述步驟(1)中,引入堿,優(yōu)選地,所述堿選自由氨、NaOH、Na2CO3及其組合組成的組。
4.如實(shí)施方式1所述的制備方法,其特征在于,在所述步驟(1)中,所述有機(jī)硅源選自由硅烷甲酯、硅烷乙酯及其組合組成的組。
5.如實(shí)施方式1所述的制備方法,其特征在于,在所述步驟(1)中,相對(duì)于所述磁粉的重量,所述有機(jī)硅源的用量在5wt%至10wt%的范圍內(nèi)。
6.如實(shí)施方式1所述的制備方法,其特征在于,在所述步驟(1)中,所述有機(jī)硅源與所述醇的體積比在1:5至1:10的范圍內(nèi)。
7.如實(shí)施方式1所述的制備方法,其特征在于,在所述步驟(1)中,所述醇選自由乙醇、異丙醇、丙醇及其組合組成的組。
8.如實(shí)施方式1所述的制備方法,其特征在于,在所述步驟(2)中,引入無機(jī)酸,優(yōu)選地,所述無機(jī)酸選自由鹽酸、硫酸或其組合組成的組。
9.如實(shí)施方式1所述的制備方法,其特征在于,在所述步驟(2)中,所述硅酸鹽選自由堿金屬硅酸鹽、堿土金屬硅酸鹽或其組合組成的組,優(yōu)選是硅酸鈉。
10.如實(shí)施方式8所述的制備方法,其特征在于,在所述步驟(2)中,所述硅酸鹽和所述無機(jī)酸同時(shí)滴加。
11.如實(shí)施方式1所述的制備方法,其特征在于,在所述步驟(3)中,所述鈦源包括鈦酸四烷基酯和四氯化鈦,優(yōu)選選自由鈦酸四甲基酯、鈦酸四乙基酯、鈦酸四丙基酯、鈦酸四丁基酯或其組合組成的組,更優(yōu)選是鈦酸四丁基酯。
12.如實(shí)施方式1所述的制備方法,其特征在于,在所述步驟(3)中,相對(duì)于所述磁粉的重量,所述鈦源的用量在5wt%至10wt%的范圍內(nèi)。
13.如實(shí)施方式1所述的制備方法,其特征在于,所述步驟(3)包括將所述FeSi2浸漬在鈦源的醇溶液中。
14.如實(shí)施方式13所述的制備方法,其特征在于,在所述步驟(3)中,所述鈦源與所述醇的體積比在1:2至1∶4的范圍內(nèi)。
15.如實(shí)施方式14所述的制備方法,其特征在于,在所述步驟(3)中,所述醇選自由乙醇、異丙醇、丙醇及其組合組成的組。
16.如實(shí)施方式1所述的制備方法,其特征在于,在所述步驟(4)中,氣相水解在100℃~120℃的溫度和0.05~0.08MPa的壓力下實(shí)施。
17.如實(shí)施方式1所述的制備方法,其特征在于,在所述步驟(5)中,使亞鐵氰化物包覆所述FeSiTi2包括,在無機(jī)酸的存在下,將中間體FeSiTi2浸泡在酸性亞鐵氰化物溶液中一定時(shí)間,亞鐵氰化物與TiO2層進(jìn)行表面反應(yīng)生成鈦離子穩(wěn)定的亞鐵氰化物。
18.如實(shí)施方式17所述的制備方法,其特征在于,在步驟(5)中,所述無機(jī)酸的濃度介于0.5~1.0mol/L之間。
19.如實(shí)施方式17所述的制備方法,其特征在于,在步驟(5)中,亞鐵氰化物水溶液的濃度介于15wt%至40wt%之間。
20.如實(shí)施方式17所述的制備方法,其特征在于,在步驟(5)中,所述磁粉與純水的質(zhì)量比介于1:3至1:5之間。
21.如實(shí)施方式17所述的制備方法,其特征在于,在步驟(5)中,所述無機(jī)酸選自由鹽酸、硫酸或其組合組成的組。
22.如實(shí)施方式1或17所述的制備方法,其特征在于,在步驟(5)中,所述亞鐵氰化物選自由亞鐵氰化鈉、亞鐵氰化鉀、或其組合組成的組,優(yōu)選亞鐵氰化鉀。
23.如實(shí)施方式2所述的制備方法,其特征在于,所述磁粉是80-120目范圍內(nèi)的工業(yè)級(jí)Fe3O4磁粉。
24.實(shí)施方式1至23中任意一項(xiàng)所述的方法得到的磁核包覆型鈦離子穩(wěn)定的亞鐵氰化物吸附劑。
25.一種磁核包覆型鈦離子穩(wěn)定的亞鐵氰化物吸附劑,其包含:
作為內(nèi)核的顆粒尺寸小于120目(大于120微米)的磁粉顆粒;
包覆所述磁粉顆粒的二氧化硅層;以及
包覆所述二氧化硅層的鈦離子穩(wěn)定的亞鐵氰化物層。
26.如實(shí)施方式25所述的磁核包覆型鈦離子穩(wěn)定的亞鐵氰化物吸附劑,其特征在于,所述磁粉顆粒具有80-120目(120微米-180微米)的顆粒尺寸。
27.如實(shí)施方式26所述的磁核包覆型鈦離子穩(wěn)定的亞鐵氰化物吸附劑,其特征在于,所述磁粉是80-120目范圍內(nèi)的工業(yè)級(jí)Fe3O4磁粉。
28.如實(shí)施方式25所述的磁核包覆型鈦離子穩(wěn)定的亞鐵氰化物吸附劑,其特征在于,所述二氧化硅層的致密度使得所述磁粉在酸性溶液中不會(huì)溶出。
29.如實(shí)施方式25-28中任意一項(xiàng)所述的磁核包覆型鈦離子穩(wěn)定的亞鐵氰化物吸附劑,其特征在于,相對(duì)于所述磁粉的重量,Ti的含量大于5wt%。
30.如實(shí)施方式25-28中任意一項(xiàng)所述的磁核包覆型鈦離子穩(wěn)定的亞鐵氰化物吸附劑,其特征在于,所述亞鐵氰化物選自由亞鐵氰化鈉、亞鐵氰化鉀、或其組合組成的組,優(yōu)選亞鐵氰化鉀。
31.如實(shí)施方式24或者實(shí)施方式25-30中任意一項(xiàng)所述的磁核包覆型鈦離子穩(wěn)定的亞鐵氰化物吸附劑用于吸附放射性同位素Cs離子和/或吸附穩(wěn)定性同位素Cs離子的用途。
32.如實(shí)施方式31所述的用途,用于去除或分離或提取放射性同位素Cs離子和/或去除或分離穩(wěn)定性同位素Cs離子。
33.如實(shí)施方式31或32所述的用途,其特征在于,所述放射性同位素Cs離子和/或穩(wěn)定性同位素Cs離子存在于pH在1-11的范圍內(nèi)的水性體系中。
34.如實(shí)施方式31或32所述的用途,其特征在于,所述放射性同位素Cs離子和/或穩(wěn)定性同位素Cs離子存在于pH在1-5的范圍內(nèi)的水性體系中。
35.一種生產(chǎn)磁核包覆型鈦離子穩(wěn)定的亞鐵氰化物吸附劑的生產(chǎn)裝置,其特征在于,所述生產(chǎn)裝置包括反應(yīng)釜、離心機(jī)、真空烘箱、電熱蒸箱和鼓風(fēng)烘房。
36.如實(shí)施方式35所述的生產(chǎn)裝置,其特征在于,所述離心機(jī)設(shè)置在所述反應(yīng)釜下方。
37.如實(shí)施方式35或36所述的生產(chǎn)裝置,其特征在于,所述反應(yīng)釜設(shè)置有在線pH控制系統(tǒng)和自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng),這兩個(gè)系統(tǒng)之間設(shè)定有一定的連鎖控制關(guān)系。