复合电解液强化改良装置修复铀污染土壤研究.pdf

中国环境科学 2023,43(8)：41274136 China Environmental Science 周书葵,颜加情,段 毅,等.复合电解液强化改良装置修复铀污染土壤研究 J.中国环境科学,2023,43(8):4127-4136.Zhou S K,Yan J Q,Duan Y,et al.Research on the remediation of uranium-contaminated soil by composite electrolyte enhancement and improvement device J.China Environmental Science,2023,43(8):4127-4136.复合电解液强化改良装置修复铀污染土壤研究 周书葵,颜加情,段 毅*,汤 惠,方艳玲,尹忠全(南华大学土木工程学院,湖南 衡阳 421001)摘要：通过对照实验单因素实验及正交实验对铀污染土壤进行了电动优化修复研究.结果表明:0.20mol/L 酒石酸与 0.05mol/L 氯化铁复合电解液应用于改良装置修复后铀去除率提升至 55.73%,铀平均浸出毒性浓度仅为 0.07mol/L,且能量利用率增大至 306.21.Visual MINTEQ软件模拟结果表明铀主要以带正电铀酰离子(UO22+)及少量中性铀-酒石酸络合物形式存在,因此,由于电迁移及正向电渗析的协同作用,铀的迁移方向为阳极到阴极.最后通过正交实验得出本实验最佳去除率的实验参数为 0.15mol/L 酒石酸和 0.08mol/L 氯化铁及 1.5V/cm 电压梯度.改良装置可通过提高土壤导电性、zeta 电位、降低土壤 pH 值以提高修复效率,且酒石酸与氯化铁复合液作为电解液应用于改良装置修复铀污染土壤时能量利用率和去除率高,铀浸出毒性低.因此,酒石酸与氯化铁复合液应用于改良电动装置为铀污染土壤提供一种高效绿色的原位修复技术.关键词：酒石酸；氯化铁；电动；修复；铀 中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2023)08-4127-10 Research on the remediation of uranium-contaminated soil by composite electrolyte enhancement and improvement device.ZHOU Shu-ku,YAN Jia-qing,DUAN Yi*,TANG hui,FANG Yan-ling,YIN Zhong-quan(School of Civil Engineering,University of South China,Hengyang 421001,China).China Environmental Science,2023,43(8)：41274136 Abstract：Controlled experiment,single factor experiment and orthogonal experiment were used to study the electrokinetic optimization of uranium contaminated soil.The uranium removal efficiency increased to 55.73%,with an average leaching toxic concentration of uranium of only 0.07mol/L.After applying a composite electrolyte of 0.20mol/L tartaric acid and 0.05mol/L ferric chloride to the optimized device,the energy utilization efficiency increased to 306.21.Meanwhile,uranium mainly exists in the form of positively charged uranyl ion(UO22+)and a minor amount of neutral uranium-tartrate complex by using Visual MINTEQ software,therefore,due to the synergy of electromigration and forward electrodialysis,the migration direction of uranium is from anode to cathode.Subsequently,the experimental parameters yielding the best removal efficiency in this study were determined to be 0.15mol/L of tartaric acid,0.08mol/L of ferric chloride,and 1.5V/cm of voltage gradient via orthogonal experiment.In addition,the modified device has the potential to improve the effect of soil remediation by ameliorating soil conductivity,zeta potential and pH levels.Moreover,when utilizing the composite liquid made up of tartaric acid and ferric chloride as the electrolyte in the modified device for repairing soil contaminated with uranium,the energy utilization and removal efficiency were elevated,and the toxicity associated with uranium leaching was substantially reduced.Therefore,an efficient and sustainable in-situ remediation technology for uranium-contaminated soil is provided.Key words：tartaric acid；ferric chloride；electric；repair；uranium 铀作为全球核工业中最为重要的元素之一,被广泛地应用于核能产业中的核燃料以及国防战略中的核武器1.而铀矿资源在大量开采、冶炼和浓缩过程产生大量的铀废石、铀尾矿及含铀废水2.目前,仅我国铀矿尾矿总量已达5800万t,世界已存铀尾矿高达10亿m33-4,大约可以产生近9万 t铀5.而而当铀进入土壤,土壤肥力显著降低,土壤中全氮、有机质等亦大幅降低,土壤理化性质发生显著变化6.同时,土壤微生物的细胞活性和代谢活性下降,以离子和同位素形式存在的铀在植物和动物中积累,最终通过食物链进入人体7-10.因此,人类迫切需要开发高效、经济的铀污染土壤修复技术.电动修复(EK)技术是近些年新兴的污染土壤修复技术,具有效率高、一定程度避免二次污染、节电和可原位修复等特点,被称为“绿色修复技术”11.电动修复的主要电动运输机制是电渗析(水运 收稿日期：2023-01-11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(42177074),湖南省教育厅科学研究项目(21C0273)*责任作者,讲师, 4128 中 国 环 境 科 学 43 卷 输)、电迁移(离子物种运输)和电泳(带电粒子运输)12.由于电动修复过程“聚焦”效应的存在,电动修复的处理效率受到限制,因此,在修复污染土壤方面,电动修复技术往往需与其他修复技术结合使用或辅以强化措施以控制土壤 pH 值在适宜范围13-14.常用强化措施有以下两种:添加辅助试剂为电解液以增加目标离子溶解度;辅助试剂中低分子量有机酸如酒石酸和柠檬酸因其螯合性能强、易降解及无二次污染等优势而备受关注15-16.此外无机盐中的氯化物也可有效提取重金属且有化学性质温和、对土壤的破坏性较小等优点17-18.有研究发现:当选用有机酸+氯化物复合电解液进行修复实验时,由于其可增加系统自由离子量及生成大量高导电性化合物,可提高目标金属离子的解吸效果及迁移率.如 Xiao 等19选择柠檬酸(CA)与氯化铁复合液作为复合电解液应用于电动修复铀污染土壤实验,结果显示当复合电解液为0.1mol/L 柠檬酸和 0.03mol/L 氯化铁时,铀的去除效率高达61.550.41%.而李20等研究发现酒石酸与氯化铁复合液对其他重金属离子也具有较强去除效率.利用离子交换膜选择透过性的特性,减弱“聚焦”效应;如 Song 等21结合双阳离子交换膜和循环法辅助 EDTA 应用于电动修复时实验效果得到显著提高.Ma 等22通过在电动修复装置添加阳、阴离子交换膜对 TPH 和镍污染土壤进行修复实验,结果表明:在最佳操作条件下,30d 后可实现 77.4%TPH 降解和 58.5%的镍去除率.此外,Lee23等通过蠕动泵将阴极处的电解液循环至阳极室中以控制电解液 pH 值提高重金属的有效修复期和去除效率.本文采用在传统电动实验装置基础上优化后的改良装置,研究内容分对照、单因素及正交三部分实验,采用不同浓度酒石酸、氯化铁及酒石酸与氯化铁混合液为电解液应用于改良装置对铀污染土壤进行电动修复,并从铀去除率、浸出毒性及能量利用率方面进行各组实验的修复效果比较,同时结合Visual MINTEQ 软件以分析铀迁移机理,最终通过正交实验确定了酒石酸与氯化铁复合电解液应用于改良装置时的最佳实验参数,以期提供一种高效、绿色的铀污染土壤原位修复技术.1 材料和方法 1.1 实验土壤和化学药品 实验土壤取自湖南中部某城市干净的农业用土,将挖取的土壤平铺于室内,干燥后放于破壁机研磨过 40 目筛,加入定量体积 1.00mg/mL 铀溶液及大量蒸馏水,使铀溶液与土壤充分混合,搅拌 1h 使其均匀,实验土壤经过 4 周自然稳定老化后,最后再次用破壁机研磨过 40 目筛,实验土壤理化性质及各氧化物占比见表 1 和表 2.八氧化铀(U3O8)购买于湖北高厚根威化学有限公司(中国湖北).酒石酸(TA)和无水三氯化铁(FeCl3)购买于上海麦克林生化科技有限公司(中国上海).表 1 土壤理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of soil 土壤性质 土壤类型pH 值电导率(S/cm)电位(mV)U(mg/kg)初始浸出毒性(mg/L)红壤 4.40177.40 255.00 102.00 0.30 表 2 土壤中主要各氧化物占比 Table 2 The proportion of major oxides in soil 氧化物种类 项目 Na2O Mg Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 K2O CaO TiO2 MnO Fe2O3 百分比(%)0.07 0.46 24.42 59.81 0.10 0.13 2.50 0.16 1.57 0.04 10.40 1.2 实验装置 如图 1,本实验装置材料为亚克力有机玻璃,共有土壤室(长宽高=15cm5cm6cm)及等体积的阴阳电极室(长宽高=4.5cm5cm6cm)3 部分,土壤室与电极室用带孔板与滤纸隔开.改良装置在阴极室与土壤室之间加入阳离子交换膜,以防止阴极区的 OH-及阴性配合物进入土壤室;同时通过蠕动泵将阴极室电解液循环至阳极室,且在蠕动泵进口管用阳离子交换膜及滤纸密封;为减少外界温度对实验能耗影响,实验装置放置于厚 20cm 的不带盖泡沫箱中.实验过程中取 300g 土壤均匀平铺于土壤室并压实,加入150mL 蒸馏水使其饱和后,再加入 200mL 电解液于8 期 周书葵等：复合电解液强化改良装置修复铀污染土壤研究 4129 各阴阳电极室,稳定 12h 后接通电源开始修复实验.实验修复 5d 后,关闭电源,将土壤室的土壤分成 5 等份并依次编号为S1S5,于各区域中心部位取7g土样烘干,研磨过 100 目筛后密封待测.图 1 实验装置图 Fig.1 Experimental setup 1.3 实验设计 实验共三部分,第一部分对照实验设计见表 3.第二部分单因素实验组设置蒸馏水组为空白组,选取 不 同 浓 度 酒 石 酸 溶 液(0.01,0.05,0.10,0.20 和0.30mol/L)氯化铁溶液(0.01,0.03,0.05和0.10mol/L)为电解液应用于改良装置并在 1.5V/cm 电压梯度的条件下进行电动修复实验.第三部分正交实验选择酒石酸溶液浓度(0.10,0.15 和 0.20mol/L)氯化铁溶液 浓 度(0.03,0.05 和 0.08mol/L)以 及 电 压 梯 度(0.5,1.0和1.5V/cm)作为变量进行3因素3水平实验组,该批实验装置全部应用于改良装置.1.4 主要分析方法 采用酸消解法测量土壤全铀量14;运用国内醋酸缓冲液法(HJ/T300-2007)对土壤铀的浸出特性进行分析24;分别用 ORP 电极电导率仪和 pH 计测定土壤Zeta电位电导率和pH值;累积耗能()计算公式如下:0tUIdt=(1)式中:U 为电压,I 为系统电流,t 为修复时间.本文引入参数 用于评估能量的有效利用率,其计算公式如下25:=(2)式中:是目标金属的去除效率,是修复过程中累积耗能.本文采用 Visual MINTEQ3.1 软件模拟计算实验过程环境水化学体系中各种化学形态分布,通过输入实验修复系统中离子初始浓度(如U4+Fe3+等)温度等信息参数,在相关的条件进行平衡计算得出模拟图.表 3 对照组实验设计表 Table 3 Experimental design table of control group 组号 电解液种类 电解液浓度(mol/L)电压梯度(V/cm)装置 1 氯化铁 0.05 1.5 阳离子交换膜 2 氯化铁 0.05 1.5 电解液循环 3 氯化铁 0.05 1.5 改良装置(阳离子交换膜+电解液循环)4 酒石酸+氯化铁 0.20+0.05 1.5 原装置 5 酒石酸+氯化铁 0.20+0.05 1.5 改良装置(阳离子交换膜+电解液循环)2 结果与讨论 2.1 修复后铀的去除率和毒性浸出浓度变化 2.1.1 土壤中铀的去除率 图2为电动修复后各组铀平均去除效率.在对照组中,当电解液为 0.05mol/L 氯化铁时,对照1组(无循环)与对照2组(无阳离子交换膜)的去除率仅为17.52%和13.15%,而对照3组中由于改良装置的应用去除率提升至 40.90%,主要原因是由于改良装置组整体酸化作用更强.如图 4(d)显示,对照 1组与对照2组修复后土壤pH值平均值分别为3.71和3.14,而对照3组pH值平均值为2.96,因此改良装置能通过土壤酸化增强铀解吸效果、迁移性.而当电解液为0.20mol/L酒石酸与0.05mol/L氯化铁混合液时,对照4组的铀去除率仅为 13.45%,而相比之下应用于改良装置时对照 5 组去除率提高为 55.73%,去除率较大提高主要是由于改良装置组Zeta电位的提高(酸化作用)增大了正、逆渗透流,整体铀迁移性得到提升(图 5(b).在单因素组中,当酒石酸和氯化铁浓度分别为0.20和0.05mol/L时,分别取得37.07%和40.60%的去除效率.当酒石酸浓度增大至 0.30mol/L 时,由于电解室电解液较低的 pH 值,导致迁移至电解室电解液的大量铀配合物发生电化学氧化降解反应而释放大量4130 中 国 环 境 科 学 43 卷 铀酰离子(UO22+),部分铀重新迁移回到土壤26,最终该组铀去除率下降至 18.23%.而当氯化铁浓度上升为 0.1mol/L 时,由于阴极室大量的 Fe(OH)3和UO2(OH)2等氢氧化物沉淀附着于石墨电极导致电极活化,系统电流下降和铀解吸能力下降,同时氢氧化物沉淀的产生使阳离子交换膜逐步失效,阴极室产生的 OH-进入阴极土壤区造成铀的大量聚集(见图7(d)27,最终该组铀去除率下降至 15.74%.而在正交组中,正交 3 组取得 65%最佳去除率.图 2 电动修复后各组铀平均去除率 Fig.2 Average removal efficiency of each group of uranium after electric repair 2.1.2 修复后铀毒性浸出浓度比较 图3为各组电动修复实验后土壤中铀的浸出毒性变化情况,土壤初始铀浸出毒性为 0.30mol/L,表 4 为对照组修复后电解液中的铀含量.对照组中,0.05mol/L 氯化铁电解液应用于改良装置后土壤铀毒性浸出浓度分别从对照 1 组(无循环)与对照 2 组(无阳离子交换膜)的0.38和0.28mol/L降至对照3组的0.19mol/L,同时对应组修复后阴极电解液中的铀含量由 2.05 和7.59mg 升至 9.56mg,由此可说明改良装置的应用可实现土壤铀毒性浸出浓度的有效降低及铀在阴极室电解液的积聚.而对照 5 组阴阳极电解液中铀含量都较低,根据实验现象,推测大量铀发生反应以沉淀形式去除.当采用酒石酸与氯化铁复合电解液时,对照 5 组(改良装置)修复后土壤中铀浸出毒性仅0.07mol/L,该值低于对照 4 组(原装置)6.50 倍,由此可得酒石酸与氯化铁复合电解液在改良装置的应用上能更有效降低土壤铀毒性浸出浓度和减轻环境污染压力,更符合绿色环保发展要求.在单因素组中,低浓度氯化铁电解液可降低土壤铀毒性浸出浓度,而酒石酸的加入总体上会提升土壤铀毒性浸出浓度.在正交组中,正交3组浸出毒性仅为0.02mol/L,浸出毒性降低率高达 93.60%.图 3 各组电动修复实验后铀的浸出毒性 Fig.3 Leaching toxicity of uranium after electric repair experiments in each group 表 4 对照组电动修复实验后电解液中的铀含量 Table 4 Uranium content in electrolyte after electric repair experiment in control group 组号 项目 1 2 3 4 5 阳极室铀总量(mg)0.81 6.59 5.74 3.96 2.62 阴极室铀总量(mg)2.05 7.59 9.56 10.5 2.45 8 期 周书葵等：复合电解液强化改良装置修复铀污染土壤研究 4131 2.2 不同区域土壤铀分布情况及迁移机理分析 2.2.1 土壤电导率、pH 值及 zeta 电位的变化 由图 4(a)(b)结果显示在单因素组中,电解液浓度越高土壤电导率越高,同浓度的氯化铁与酒石酸作为电解液时,氯化铁溶液实验组土壤电导率增大效果更显著.在区域上,不同浓度酒石酸电解液组 S1S5 区域土壤电导率差距不大,而氯化铁组 S1S5 区域土壤电导率呈现下降趋势,主要原因是由于 H+不断的产生,越靠近阳极室土壤 H+浓度越高,因此越靠近阳极室的土壤区域电导率越大,同时阴极室 OH-的产生与 H+发生反应生成水,H+浓度降低,阴极室电导率降低,因此越靠近阴极室的土壤区域电导率越小28.此外氯化盐等可溶性阴离子向阳极移动,可交换阳离子向阴极移动,而氯离子类水溶性阴离子与土壤颗粒相互作用小,因此运输速度比二价阳离子等要快14,据 Kim 等29研究,氯离子的迁移率是钠离子的1.50 倍,因此,大量氯化盐等阴离子积累于阳极区,使得越靠近阳极区的土壤电导率越高.同时结果显示改良装置组土壤系统的整体电导率得以提高.由图4(c)(d)可以观察到大部分实验组S1-S5区域土壤 pH 值大体上呈由低到高变化趋势,对照 2 组由于阳离子交换膜的缺失,S5区域土壤pH值达6以上.总体上,由于阳离子交换膜循环电解液的共同作用,越来越多的阳极处产生的 H+迁移至阴极附近土壤区域.因此可得出结论:改良装置的应用能降低土壤系统的 pH 值,提高铀解吸效果.pH 值 pH 值 图 4 单因素组和对照组土壤电导率及 pH 值情况 Fig.4 Soil conductivity and pH values in the single factor group and control group 图5为电动修复实验后不同区域土壤Zeta电位的变化情况.根据研究,pH 值的降低会导致氯化铁电解液对土壤 Zeta 电位影响较小,大部分实验组S1S5 区域 Zeta 电位随土壤 pH 值的增大而呈下降趋势,这与Gu30-31等研究相符合.而较高浓度氯化铁作为电解液时,Fe3+在电迁移的作用下往阴极区土壤迁移,由于 Fe3+的强氧化性,S1S4 区域土壤 Zeta电位呈上升趋势,S5 区域土壤由于部分阳离子交换膜的失效,阴极室生成的氢氧化物进入 S5 区域引起pH 值增加最终导致 Zeta 电位的降低,因此靠近阳极区土壤处于氧化条件,阴极区土壤反之,同时 Zeta 电位的绝对值越大土壤双电层越厚,即土壤结构越稳定越难以被破坏32.在本实验中,酒石酸相比氯化铁电解液对土壤 Zeta 电位影响较小,此外结果显示,改良装置的应用能提高土壤系统中的 Zeta 电位以增强正逆向电渗析流,提高了铀迁移性.2.2.2 不同区域土壤中铀的分布及其迁移机制 由图 6 可观察到,在蒸馏水组中,大部分铀迁移至 S3 和4132 中 国 环 境 科 学 43 卷 S5 区域,而 S2 区域铀残余量最低,这与肖等33的实验现象相符合.不同浓度酒石酸作为电解液时,S1S5 区域铀残余量变化趋势亦不同.在0.01和0.05mol/L低浓度酒石酸电解液的条件下,铀与酒石酸离子主要以阴性配合物的形式存在,在电迁移的作用下,S3S5 各区域铀往阳极区域土壤迁移,而S1区域由于相对较多H+的存在,使吸附于该区域土壤上的铀被解吸下来,并以阳离子形式存在,其在电迁移及电渗透的共同作用下往阴极迁移,最终大量铀累积于 S2 区域土壤.而0.10mol/L 酒石酸组由于酸性的增大进一步加强了铀往阴极迁移的趋势,最终实现了 S3 区域土壤铀的大量积聚.然而在0.20和0.30mol/L高浓度酒石酸电解液的条件下,由于系统中大量H+的存在,土壤中铀以带正电铀酰离子(UO22+)形态为主,在电迁移的作用下 S1S5区域土壤残余铀含量逐步增加,而0.30mol/L酒石酸组阳极室电解液过低的酸性环境,大量铀酰离子(UO22+)在电迁移等作用下重新迁移至 S3 和 S4 区域.图 5 单因素组和对照组土壤电位 Fig.5 Single factor group and control group soil potential 图 6 不同浓度酒石酸电动修复后土壤中铀的分布 Fig.6 Distribution of uranium in soil after electric remediation of tartaric acid at different concentrations 8 期 周书葵等：复合电解液强化改良装置修复铀污染土壤研究 4133 由图 7 可观察到,不同浓度氯化铁作为电解液时,S1S5 区域的铀残余量大体上都呈上升趋势,而在 S4S5 区域上升增幅最大.由图 8 可观察到,在对照组中,对照 2 组由于阳离子交换膜的缺少,大量阴极区 OH-进入 S5 区域与土壤中铀生成沉淀并沉积于 S5 区域.而对照 1 组由于循环装置的缺少,各区域土壤中铀离子向阴极迁移性整体降低,致使 S2S4 各区域铀残余量仍保持较大值.当选用酒石酸与氯化铁复合电解液应用于原装置与改良装置时,土壤中的铀迁移方向统一由阳极至阴极,S1S5 区域土壤铀残余量呈逐步上升趋势.同时通过 Visual MINTEQ 软件模拟图 9 可得,当pH值处于24范围,铀以带正电复合物形态为主,它们在电迁移的作用下往阴极迁移.图 7 不同浓度氯化铁电动修复后土壤中铀的分布 Fig.7 Distribution of uranium in soil after electric remediation of ferric chloride at different concentrations 4134 中 国 环 境 科 学 43 卷 图 8 对照组电动修复后土壤中铀的分布 Fig.8 Distribution of uranium in soil after electric remediation in the control group 图 9 软件模拟不同 pH 值对照 5 组的铀形态分布 Fig.9 The software simulates the morphological distribution of uranium in different pH control 5groups 在正交组中,整体上各组 S1S5 区域土壤的铀呈现阳极至阴极迁移趋势.通过表 5 观察到,对于去除率影响因素大小为 CBA,而结果显示本研究最佳实验组合为A2B3C3,即复合电解液为0.15mol/L酒石酸与 0.08mol/L 氯化铁及电压梯度 1.5V/cm 为最佳实验参数.表 5 正交组极差分析结果 Table 5 Orthogonal group range analysis results 去除率 种类 A-酒石酸溶液浓度 B-氯化铁溶液浓度 C-电压梯度Kj1 31.44 23.21 20.77 Kj2 37.09 32.46 25.20 Kj3 34.02 46.87 56.57 最优水平 A2 B3 C3 R 6.95 23.66 35.80 顺序 CBA 2.3 实验修复后各组电流变化及能量利用率 2.3.1 各组电流的变化 图 10 显示了各组电动修复实验中系统电流随时间的变化情况.在单因素实验组,酒石酸为电解液且应用改良装置组时,酒石酸浓度越高,系统中产生的电流也越大.这是由于系统中的H+越多,溶解吸附于土壤上铀的能力越强,使得系统中可溶性离子增大,电流随之增大.不同浓度氯化铁溶液作为电解液应用改良装置组时,0.05mol/L氯化铁组实验电流最大,在修复 2h 达最大值 62mA.氯化铁和酒石酸相比,氯化铁溶液作为电解液时由于Fe3+与H2O反应生成大量H+,使系统电流更大34.在对照实验组中,当电解液为酒石酸与氯化铁混合液时,系统中的电流要比单独的酒石酸氯化铁为电解液产生的电流要高,主要原因在于酒石酸氯化铁与铀生成可溶性氯化物等高导电性化合物,显著提高土壤导电性,系统电流保持较大值35.观察可发现部分组电流随时间变化曲线后期电流有上升趋势,并没有反映出电流缓降趋势,这可能是由于后期加入的电解液中离子含量比修复过程中消耗的离子含量要高,从而导致电流有上升趋势22.2.3.2 各组能量利用率 而在本实验中,引入利用率来评价各实验在累积能耗和铀平均去除率两方面的综合效果.如表6结果所示,相同浓度的氯化铁和酒石酸作为电解液时,由于氯化铁组系统电流较大,累积能耗更多.所有试验组中,0.01mol/L 酒石酸电解液应用于改良装置时,利用率达最大值783.33,同时对照2组(113.91)对照1组(126.04)对照3组(393.78),说明改良装置的应用能有效提高氯化铁组的利用率,而 对照4组(146.20)对照5组(306.21)说明酒石酸与氯化铁复合电解液应用于改良装置时去除率也远高于原装置,且前者利用率高出后者 2 倍,其原因可能是改良装置的应用减少了实验过程中的热损失水电解及其他非目标离子的迁移等无用功的消耗25.8 期 周书葵等：复合电解液强化改良装置修复铀污染土壤研究 4135 图 10 单因素组和对照组电流变化 Fig.10 Current changes in the univariate and control groups 表 6 各组实验能耗利用率 Table 6 Energy consumption utilization rate of each group 组类 试验号 累积能耗(kWh)平均去除率(%)利用率蒸馏水 0.01 4.84 403.33 0.01mol/L 氯化铁 0.04 19.70 480.49 0.03mol/L 氯化铁 0.07 29.42 432.65 0.05mol/L 氯化铁 0.10 40.90 393.27 0.1mol/L 氯化铁 0.09 15.74 185.18 0.01mol/L 酒石酸 0.02 11.75 783.33 0.05mol/L 酒石酸 0.04 13.46 363.78 0.10mol/L 酒石酸 0.07 24.86 371.04 0.20mol/L 酒石酸 0.09 37.07 436.12 单因素 0.30mol/L 酒石酸 0.11 18.23 161.33 1 0.14 17.52 126.04 2 0.12 13.10 113.91 3 0.04 13.46 363.78 4 0.09 13.45 146.20 对照 5 0.18 55.73 306.21 1 0.01 5.00 357.14 2 0.14 11.22 81.30 3 0.30 64.68 214.88 4 0.16 12.08 77.94 5 0.30 59.00 194.72 6 0.13 27.87 216.05 7 0.18 37.52 208.44 8 0.14 13.95 103.33 正交 9 0.21 37.68 181.15 由以上可得出结论:酒石酸-氯化铁复合电解液可使电动修复系统中的电流保持在较大范围值,因此会导致更多的能耗.而改良装置的应用可有效提高系统中目标离子的利用率,更符合高效绿色的发展要求.3 结论 3.1 酒石酸与氯化铁复合电解液应用于改良装置能有效增强实验中铀的解吸能力和迁移效果,并实现铀在阴极室电解液的积聚.当 0.20mol/L 酒石酸与0.05mol/L 氯化铁混合液作为电解液应用于改良装置时铀去除率及能量利用率得到有效提高,铀平均浸出浓度大幅度降低.3.2 通过正交实验得出本实验去除率的最佳实验参数,电解液为 0.15mol/L 酒石酸与 0.08mol/L 氯化铁及 1.5V/cm 电压梯度;当 0.10mol/L 酒石酸与0.08mol/L 氯化铁混合液作为电解液应用于改良装置时铀去除率高达 65%,取得所有完成实验组中最佳去除率.3.3 结 合Visual MINTEQ 软 件 模 拟 可 知0.20mol/L酒石酸与0.05mol/L氯化铁混合液作为电解液应用于改良装置时,系统中的铀主要以带正电铀酰离子(UO22+和 U(OH)3+)及少量中性铀-酒石酸根络合物的形式存在,最终铀在电迁移及正向电渗析的协同作用下实现阳极到阴极的迁移.参考文献：1 敖浚轩.新型高性能铀酰离子吸附材料制备及应用研究 D.上海:中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.Ao J X.Preparation and application of novel high-performance uranyl ion adsorption materials D.Shanghai:University of Chinese Academy of Sciences(Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences),2020.2 扶海鹰.红壤中铀的迁移转化规律及控制方法研究 D.衡阳:南华大学,2019.Fu H Y.Study on migration and transformation of uranium in red soil and its control methods D.Hengyan:University of South China,2019.3 Xin W H,Yong D W,Nan H,et al.Bioremediation of effluent fr om a uranium mill tailings repository in South China by AzollaAnabaena J.Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry,2018,317(2):739-746.4 Dai X,Wu X,Hong Y,et al.Safety and stability evaluation of the uranium tailings impoundment dam:Based on the improved AHP-cloud model J.Journal of Radiation Research and Applied Sciences,2022,15(1):21-31.5 Li M,Gao F,Zhang X,et al.Recovery of uranium from low-grade tailings by electro-assisted leaching J.Journal of Cleaner Production,4136 中 国 环 境 科 学 43 卷 2020,271:122639.6 Chen J Y,Qiu Z M,Gao B.Morphological distribution characteristics and bioavailability of radionuclide uranium of farmland soil in a uranium deposit area J.Fresenius Environmental Bulletin,2018,27(4):1979-1988.7 贺卫国.老化对铀在铀尾矿库区土壤垂向各层中的赋存形态及迁移规律研究 D.衡阳:南华大学,2021.He W G.Study on the occurrence form and migration rule of uranium in vertical layers of soil in uranium tailings area by aging D.Hengyang:University of South China,2021.8 Lv Y,Tang C,Liu X,et al.Optimization of environmental conditions for microbial stabilization of uranium tailings,and the microbial community response J.Frontiers in microbiology,2021,12:770206.9 Selvakumar R,Ramadoss G,Menon M P,et al.Challenges and complexities in remediation of uranium contaminated soils:A review J.Journal of environmental radioactivity,2018,192:592-603.10 Lyu P,Wang G,Cao Y,et al.Phosphorus-modified biochar cross-linked MgAl layered double-hydroxide composite for immobilizing uranium in mining co