U(Ⅵ)与生物炭胶体在饱和非均一性介质中的运移研究

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胶体对放射性核素在环境中的迁移有重要影响。因生物炭的大量应用和环境中黑炭类物质的广泛存在,环境中生物炭胶体存在的广度和数量都非常可观。近年来,生物炭胶体自身的运移行为已经逐步受到研究人员的重视。生物炭具有强吸附能力,可能成为污染物在环境中迁移的载体,从而造成环境污染扩散。然而,对于生物炭胶体如何影响放射性污染物的迁移行为,目前尚未得到研究。因此,研究生物炭胶体存在下典型放射性核素的运移行为具有重要的理论和实际意义。本工作研究了U(Ⅵ)与生物炭胶体在水溶液饱和的涂铁石英砂非均一性介质中的运移和滞留行为,探究了p H、离子强度、流速等因素对二者迁移行为的影响。同时,探讨了生物炭裂解温度和老化程度对其胶体与U(Ⅵ)共运移的影响。本工作所取得的结果为理解U(Ⅵ)和生物炭在环境中的迁移行为和归趋提供了科学依据。本论文工作取得的主要结果包括以下几个方面:(1)制备并表征了含氧化铁涂层的石英砂颗粒,研究了U(Ⅵ)在饱和涂铁石英砂介质中的吸附和运移行为。结果表明,氧化铁涂层增加了石英砂介质对U(Ⅵ)的吸附能力,双位点DLM吸附模型可以较好地预测U(Ⅵ)的静态吸附实验数据。然而在运移实验中,U(Ⅵ)的穿透曲线呈现双平台,常用的双位点化学非平衡模型无法对实验数据给出满意的拟合结果。表面包覆的氧化铁导致固定相介质表面位点的非均一性在非平衡的运移体系中更为显著。为此,需要考虑更多吸附位点才能描述运移时非平衡状态下U(Ⅵ)的吸附过程。此外,在酸性条件下,水杨酸的存在抑制了U(Ⅵ)在介质表面的吸附,从而促进了U(Ⅵ)的运移。(2)研究了生物炭胶体与U(Ⅵ)在涂铁石英砂非均一性介质中运移行为。结果表明,生物炭胶体的运移受离子强度的影响较大,随着离子强度增大至100 m M,生物炭胶体被严重阻滞在柱中。在生物炭-U(Ⅵ)二元体系中,U(Ⅵ)的运移行为完全由生物炭胶体所主导,其在不同实验条件下的运移行为均得到了一定程度的促进,而生物炭胶体的运移基本不受U(Ⅵ)的影响,这与DLVO理论计算结果一致,即无论U(Ⅵ)存在与否,低离子强度时生物炭胶体与介质表面间主要以斥力能为主。双动力学位点模型较好地拟合了生物炭胶体及其结合U(Ⅵ)的运移行为。通过CFT理论预测生物炭胶体载带U(Ⅵ)在介质中的最大迁移距离为5.4 m。(3)探究了热解温度对生物炭胶体及其结合U(Ⅵ)运移的影响。结果表明,热解温度(300—560 oC)对生物炭的理化性质影响较大,生物炭表面的官能团随着热解温度的升高而分解,配位能力下降,其胶体载带U(Ⅵ)在饱和涂铁石英砂柱中迁移的能力也随之降低。Ca2+减弱了生物炭胶体与介质表面的排斥势能,不利于生物炭胶体及其结合U(Ⅵ)的运移。此外,随着石英砂涂铁比例的增加,不同热解温度制备的生物炭胶体载带U(Ⅵ)迁移的能力均会减弱。CFT理论计算结果表明离子强度为0.1 m M时,热解温度为300℃下制备的生物炭胶体载带U(Ⅵ)的迁移具有最大的迁移距离。(4)采用HNO3对不同热解温度下(300℃和560℃)的生物炭样品进行“老化”处理,开展了老化生物炭胶体对U(Ⅵ)运移影响的研究。结果表明,经老化处理后,生物炭表面含氧官能团增加。尽管老化过程对生物炭胶体自身的运移没有明显的影响,但老化程度越高的生物炭胶体对U(Ⅵ)的吸附能力越强,对U(Ⅵ)迁移的促进效果越明显。(5)分析了运移实验中有代表性的流出液中胶体的粒径特性和p H变化情况,并测定了U(Ⅵ)与生物炭胶体在柱中滞留的空间分布。结果表明在柱实验中,胶体运移过程的尺寸排阻效应明显,生物炭胶体和U(Ⅵ)的滞留规律与其穿透曲线的规律一致。
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