新型Mg-Al吸附剂去除压水堆核电厂废水中高浓度硼

doi:10.7503/cjcu20210516

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (2): 20210516.doi: 10.7503/cjcu20210516

新型Mg-Al吸附剂去除压水堆核电厂废水中高浓度硼

靳科研¹, 白璞¹^,⁴, 李小龙²(), 张佳楠³, 闫文付¹()

^1.吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室, 化学学院, 长春 130012
^2.生态环境部核与辐射安全中心, 北京 100082
^3.郑州大学材料科学与工程学院, 郑州 450002
^4.洛阳建龙微纳新材料股份有限公司, 洛阳 471900

收稿日期:2021-07-19 出版日期:2022-02-10 发布日期:2021-09-16
通讯作者: 李小龙,闫文付 E-mail:free123orange@163.com;yanw@jlu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(U1967215);高等学校学科创新引智计划(B17020)

New Mg-Al Type Sorbent for Efficient Removal of Boron from Waste Water Containing High-concentration of Boron from Pressurized Water Reactor Nuclear Power Plants

JIN Keyan¹, BAI Pu¹^,⁴, LI Xiaolong²(), ZHANG Jianan³, YAN Wenfu¹()

^1.State Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry，College of Chemistry，Jilin University，Changchun 130012，China
^2.Nuclear and Radiation Safety Center，Ministry of Ecology and Environment，Beijing 100082，China
^3.College of Materials Science and Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450002，China
^4.Luoyang Jalon Micro?Nano New Materials Co. ，Ltd. ，Luoyang 471900，China

Received:2021-07-19 Online:2022-02-10 Published:2021-09-16
Contact: LI Xiaolong,YAN Wenfu E-mail:free123orange@163.com;yanw@jlu.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(U1967215);the “111” Project of China(B17020)

摘要/Abstract

摘要：

通过特定的焙烧过程制备了不含碳酸根的Mg-Al型层状双金属氧化物. 该层状双金属氧化物在废水中可水解为层状双金属氢氧化物, 从而能够通过四级串联吸附处理的方式将模拟核电厂含硼废水中的硼浓度由初始的2000 mg/L显著降低至10 mg/L, 满足内陆拟建核电厂需要将含硼废水硼浓度处理至30 mg/L以下的技术要求. 在pH=10.61, 固液比为1/40 g/mL, 吸附温度为20 ℃条件下, 吸附剂的硼吸附量可高达39.64 mg/g. 此外, 还在分子层次上讨论了中间氧化物的形成机理以及其水解生成层状双金属氢氧化物的机理, 探讨了核电厂高浓度含硼废水的pH值、初始硼浓度、吸附剂用量和搅拌时间等条件对吸附剂硼吸附性能的影响.

关键词: Mg-Al-OH型层状双金属氢氧化物, 吸附, 除硼, 压水堆核电厂废水

Abstract:

A new Mg-Al type layered double hydroxide（LDH） free of CO₃^2- was formed via a specific process consis-ting of the steps of first calcination and subsequent hydrolyzation in water of LDH source material. The resultant Mg-Al LDH can efficiently remove boron from simulated waste water containing high-concentration of boron from pressurized water reactor nuclear power plants. The concentration of boron in the simulated boron-containing waste water was reduced from 2000 mg/L to 10 mg/L by three cycles-relay treatment using the sorbent developed here， which met the requirement that the concentration of boron in the waste water has to be less than 30 mg/L for the construction of new inland nuclear power plants. The maximum sorption capacity of the sorbent developed in this study was as high as 39.64 mg/g at pH of 10.61 and temperature of 20 ℃. Meanwhile， the structural evolution at molecular level during the calcination and hydrolyzation process was investigated. The influence of parameters such as pH value， initial boron concentration， sorbent dosage， and agitation time on boron removal was also investigated.

Key words: Mg-Al type layered double hydroxide, Sorption, Removal of boron, Waste water from pressurized water reactor nuclear power plants

中图分类号:

O647.33

TrendMD:

靳科研, 白璞, 李小龙, 张佳楠, 闫文付. 新型Mg-Al吸附剂去除压水堆核电厂废水中高浓度硼. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210516.

JIN Keyan, BAI Pu, LI Xiaolong, ZHANG Jianan, YAN Wenfu. New Mg-Al Type Sorbent for Efficient Removal of Boron from Waste Water Containing High-concentration of Boron from Pressurized Water Reactor Nuclear Power Plants. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(2): 20210516.

图/表 12

Scheme 1 Schematic diagram of the treatment and discharge of the boron?containing waste water generated from pressurized water reactor nuclear power plant

Fig.1 Experimental XRD patterns(A) and FTIR spectra(B) of raw Mg?Al LDH(a), intermediate oxide from the calcination of LDH(b), and layered double hydroxide after B?anions adsorption(c)

Scheme 2 Structural evolution of Mg?Al LDH upon calcination

Fig.2 SEM images of the raw Mg?Al LDH(A), intermediate oxide from the calcination of LDH(B), and layered double hydroxide after B?anions adsorption(C)

Fig.3 Influence of pH value on the removal of boron at an initial boron concentration of 2000 mg/LAdsorbent dose/solution volume ratio: 1/40 g/mL; temperature: 20 ℃; reaction time: 24 h.

Table 1 Boron adsorption on intermediate oxide from aqueous solution with various initial B concentrations(Adsorbent dose/solution volume ratio: 1/40 g/mL, pH=7.43, contact time: 24 h)

Run	c₀/（mg·L^-1）	c_e/（mg·L^-1）	Removal efficiency（%）	Q_e/（mg·g^-1）
1	50	11.07	77.86	1.56
2	200	36.46	81.77	6.54
3	500	69.01	86.20	17.24
4	1000	453.4	54.66	21.86
5	2000	1277.4	54.66	28.90

Fig.4 Linear fitting with the Langmuir model(A) and Freundlich model(B) for intermediate oxide

Table 2 Langmuir and Freundlich isotherm parameters of B adsorption on intermediate oxide

Material	q_m，exp/（mg·g^-1）	Langmuir model				Freundlich model
Material	q_m，exp/（mg·g^-1）	q_m/（mg·g^-1）	b/（L·mg^-1）	R²		k_F/（mg·g^-1）	1/n	R²
Intermediate oxide	28.90	32.01	0.0065	0.981		0.756	0.554	0.735

Fig.5 Influence of initial boron concentration(c0) on the removal of boron at pH of 7.43Adsorbent dose/solution volume ratio: 1/40 g/mL;temperature: 20 °C; reaction time: 24 h.

Fig.6 Influence of adsorbent dose/solution volume ratio on the removal of boron at an initial boron concentration of 2000 mg/L, pH=7.43, temperature of 20 ℃, and reaction time of 24 h

Fig.7 Influence of agitation time on the removal of boron of calcined Mg?Al LDH(A) and un?calcined Mg?Al LDH(B)Initial boron concentration: 2000 mg/L, pH=7.43, adsorbent dose: 1/40 g/mL for calcined Mg?Al LDH, 1/100 g/mL for un?calcined Mg?Al LDH, temperature: 20 ℃.

Fig.8 Influence of competition ion on the removal of boron at an initial boron concentration of 2000 mg/L, pH of 7.43, adsorbent dose/solution volume of 1/100 g/mL, and temperature of 20 ℃

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新型Mg-Al吸附剂去除压水堆核电厂废水中高浓度硼

New Mg-Al Type Sorbent for Efficient Removal of Boron from Waste Water Containing High-concentration of Boron from Pressurized Water Reactor Nuclear Power Plants

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