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

doi:10.7503/cjcu20210516

Abstract

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

CLC Number:

O647.33

TrendMD:

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[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(2): 20210516.

Figures/Tables 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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