全 文 ：文章编号 :100028551 (2000) 0420234207
137Cs 在水 —吸附剂体系中的行为
徐寅良1 　陈凯旋1 　陈传群1 　徐玉新2
(11 浙江大学原子核农业科学研究所 ,浙江杭州 　310029 ;
21 山东农业大学资源与环境学院 ,山东泰安 　271018)
摘 　要 :吸附剂对水体中137Cs 的吸附随着时间延长而增加 ,约 3h 后吸附达到平衡 ,不
同吸附剂有不同的饱和吸附率 ;沸石、分子筛和蒙脱石是137 Cs 的强烈吸附剂 ,而青紫
泥、小粉土和红壤则是廉价、实用的净化剂 ;矿物经活化处理后可提高对137Cs 的吸附
能力 ,其吸附率与粒径之间的关系呈幂回归形式 ,选择适当粒径的矿物可达到理想的
吸附效果 ;由于拮抗作用 , K离子可抑制吸附剂对水体中137 Cs 的吸附 ;137 Cs 在土壤
中不易移动 ,0～5cm 表土层中几乎集中了施入量的 99 %以上。
关键词 :137Cs ;吸附剂 ;净化剂 ;拮抗作用
收稿日期 :1999204205
基金项目 :浙江省科委资助项目 (961103084)
作者简介 :徐寅良 (19402) ,男 ,浙江大学原子核农业科研所副教授。从事核农学研究
放射性尘埃中的137Cs 随着雨水降落到地面 ,污染农业环境[1～4 ] ,特别是水体和土壤。有
报道用吸附剂 (包括矿物和土壤)可去除水体中的放射性物质[5 ,6 ] 。本文研究了若干吸附剂对
137Cs 的吸附过程及影响吸附的各种因素 ,以期为防治水体中的137Cs 污染提供科学依据。
1 　材料与方法
111 　供试材料
铯2137 :化学形态为137CsCl ,由中国原子能科学院提供 ,放化纯度和化学纯度均大于 99 %。
供试矿物 :蒙脱石、珍珠岩、沸石、膨润土、硅藻土、高岭土、陶土、羊干土、分子筛 (钙 A5 型) 、活
性碳、硅胶等。供试土壤 :青紫泥 (粉质粘土) ,p H516 ,有机质含量 3153 % ,粘粒 2816 % ;红壤
(粘壤土) ,p H516 ,有机质含量 1121 % ,粘粒 2116 % ;小粉土 (砂壤土) ,p H619 ,有机质含量
0179 % ,粘粒 215 % ;江涂土 (砂土) ,p H816 ,有机质含量 0122 % ,粘粒 < 1 %。
吸附剂的粒级分为 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和 Ⅵ,粒径分别为 0105～0115mm ,0115～0125mm ,
0125～0155mm ,0155～1. 0mm ,110～2. 0mm 和 210～310mm。
吸附剂的活化是指吸附剂在 90 ℃下烘 3h ,冷却后放在干燥器内备用。
112 　试验设计
11211 　吸附剂对137Cs 吸附的平衡过程 　分别在 10ml H2O 中加入 1500Bq 的137 CsCl ,然后加
432 　核 农 学 报　2000 ,14 (4) :234～240Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
入 10mg 粒级 Ⅰ的蒙脱石、珍珠岩和红壤 ,摇匀后 ,静置 0、0108、0117、0133、015、1、2、3、6、12、
24h ,各取 8ml 混浊液离心 (2000r/ min)后 ,吸 4ml 上清液 ,测量其中137 Cs 的放射性。每处理 3
个重复 ,室温 15 ℃。
11212 　吸附剂对137Cs 的吸附率 　分别在 10ml H2O 中加入 1500Bq 的137CsCl ,然后加入 10mg
粒级 Ⅰ的各种吸附剂 ,摇匀 ,在 HY 振荡器上振荡 5 min ,静置 3h ,吸 8 ml 混浊液离心后 ,吸
4ml 上清液 ,测量其中137Cs 的放射性。每处理 3 个重复 ,室温 10 ℃。
11213 　吸附剂用量对137Cs 吸附能力的影响 　分别在 10ml H2O 中 ,加入 1500Bq 的137CsCl ,加
入 0、1、2、5、10、15、20、50、75、100、200、500、1000mg 粒级 Ⅰ的蒙脱石、硅胶和小粉土 ,在 HY
振荡器上振荡 5 min ,以下步骤同 2。
11214 　矿物粒径对137 Cs 吸附的影响 　分别在 10mlH2O 中加入 1500Bq 的137 CsCl ,然后加入
10mg 不同粒级的珍珠岩和沸石 ,摇匀后 ,振荡 5min ,以下步骤同 2。
11215 　活化处理对矿物吸附137 Cs 的影响 　分别在 10mlH2O 中加入 1500Bq 的137 CsCl ,然后
加入 10mg 经活化处理过的矿物 ,其测量结果可与未活化处理的相比较。
11216 　K+ 浓度对吸附剂吸附137Cs 的影响 　在 10ml 钾离子浓度分别为 0、010001、01001 和
0101 mol/ L 的水体中 ,加入 1500Bq 的137 CsCl ,然后分别加入 10mg 沸石、羊干土和青紫泥 ,摇
匀振荡 5 min ,以下步骤同 2。
11217 　137Cs 在土壤中的吸附、移动和分配 　在Φ2cm、长 30cm 的玻璃柱 (下带活塞) 中 ,装粒
级Ⅳ的 50g 风干土 (青紫泥、小粉土、红壤、江涂土) ,用水淋洗土柱 ,1 周后 ,待水刚流干 ,在土
柱表面加入 37kBq 137CsCl ,等137Cs 刚吸入土壤 ,用 200mlH2O 淋溶 ,待水流干后推出土柱 ,按 1
cm 长切成段 ,风干、磨碎后 ,测量每段土柱和淋溶水中137Cs 的放射性。每处理 3 个重复 ,室温
20 ℃。
113 　样品制备与测量
将4ml水样、1g 土样 (风干后过 60 目) 分别装入玻璃小试管中 ,在带有 NaI ( T1) 井型闪烁
探头的 FH21901 通用γ谱仪中测量137 Cs 的放射性 ,经计数效率和本底校正后换算成137 Cs 的
放射性活度[7 ] 。
2 　结果与讨论
211 　吸附剂对137Cs 的吸附平衡过程
随着时间的延长 ,吸附剂对137 Cs 的吸附率不断增加 ,经过一定时间后 ,吸附达到平衡 ,试
验结果列于表 1。
表 1 　吸附剂对137Cs 的吸附平衡过程
Table 1 　Balance process of 137Cs in the adsorbents 　　( %)
吸附剂
adsorbent
处理时间　　duration of treatment (h)
0 0108 0117 0133 015 1 2 3 6 12 24
蒙脱石
montmorillonite 0 8512 8813 8819 8916 8919 9010 9012 9014 9016 9115
红壤
clay loam 0 3314 3617 4116 4518 5310 6116 6819 7017 7111 7116
珍珠岩
pearlite 0 2218 3117 3415 3419 3519 4118 4310 4311 4318 4413
532　4 期 137Cs 在水—吸附剂体系中的行为
　　由表 1 可以看出 :1) 在吸附剂与水的质量比为一定时 ,蒙脱石、红壤和珍珠岩对水体中
137Cs的吸附率随着时间的延长而增加 ,逐渐趋向于平衡 ,并达到一个饱和吸附率值。这个饱
和值的大小与吸附剂的种类和性质有关[8 ] 。在剂/ 水质量比为 1 ×10 - 3条件下 ,经 24h 的吸
附 ,蒙脱石对137Cs 的饱和吸附率达 9115 % ,红壤为 7116 % ,而珍珠岩只有 4413 % ;2)吸附作用
进行得很快 ,在处理后 5min ,蒙脱石就吸附了水体中 8512 %的137 Cs ,红壤吸附了 3314 % ,珍珠
岩吸附了 2218 % ;经 1h 后 ,分别达到 8919 %、5310 %和 3519 % ;经 3h 后 ,达到 9012 %、6411 %
和 4310 % ,3h 的吸附率分别达饱和吸附率值的 9815 %、9612 %和 9711 % ,即处理后 3h ,吸附
过程已达平衡。
212 　吸附剂对137Cs 的吸附
在剂/ 水质量比为 1 ×10 - 3的情况下 ,测得各种吸附剂对137Cs 的吸附率 (表 2) 。
表 2 　各种吸附剂对137Cs 的吸附率
Table 2 　Adsorption rate of 137Cs in various adsorbents
名　称
name
吸附率
adsorption rate ( %)
名　称
name
吸附率
adsorption rate ( %)
沸　石　zeolite 9416 珍珠岩　pearlite 4518
分子筛　molecular sieve 9017 活性碳　active carbon 3210
蒙脱石　montmorillonite 9012 硅　胶　silica gel 2811
膨润土　bentonite 7919
硅藻土　kieselgur 7614 青紫泥　farinose clay 8115
陶　土　pottery clay 7519 红　壤　clay loam 6917
高岭土　kaolin 7315 小粉土　sandy lam 6513
羊干土　yanggantu 6914 江涂土　sandy soil 3916
　　由表 2 可以看出 :供试矿物中 ,沸石、分子筛和蒙脱石对水体中137 Cs 的吸附能力最强 ,膨
润土、硅藻土等次之 ,活性碳、硅胶较差。矿物对137 Cs 吸附能力的强弱与矿物的分子结构、阳
离子交换容量和颗粒细度等因素有关[8 ] 。供试土壤中 ,以青紫泥吸附能力最强 ,红壤和小粉
土次之 ,江涂土最低。但它们与矿物一样 ,都能有效地吸附水体中的137 Cs。土壤对137 Cs 吸附
能力的强弱与土壤质地、p H 和有机质含量等因素有关[8 ] 。本试验结果表明 ,有机质含量和粘
粒含量的影响更为明显。实际上所研究的矿物都包含在土壤内。浙江这类矿物资源丰富 ,可
以用作水体中137Cs 的净化剂 ,另一方面 ,用土壤来净化更为廉价、方便和实用。
213 　吸附剂用量对137Cs 吸附能力的影响
蒙脱石、小粉土和硅胶用量对137Cs 吸附率的影响列于表 3。
从表 3 可以看出 :11 在同样的吸附剂用量情况下 ,蒙脱石的吸附率最强 ,小粉土次之 ,硅
胶较弱 ,这种差异在低用量情况下尤为明显 ,如在 20mg 用量时 ,三者的吸附率分别为 9112 %、
8311 %和 3213 %。
21 随着吸附剂用量的增加 ,对137Cs 的吸附率明显增强 ,这在吸附率较弱的硅胶上显得更
为突出。如在 1、10、100 和 1000mg 用量下 ,硅胶对 137 Cs 的吸附率从 1412 %分别增加到
2811 %、6113 %和 9211 %。
31 蒙脱石和小粉土可用来去除水体中的137 Cs ,而硅胶则不宜选用。因为在供试条件下 ,
50mg 左右的蒙脱石或小粉土就能吸附水体中 95 %左右的137 Cs ,而同样用量的硅胶才吸附
4812 %。
632 核　农　学　报 14 卷
表 3 　吸附剂用量对137Cs 吸附率的影响
Table 3 　Effect of adsorbent volume on adsorption rate of 137Cs
用量
quantity
(mg)
吸附率　adsorption rate ( %)
蒙脱石　montmorllonit 小粉土　sandy loam 硅胶　silica gel
015 6612 2613 1211
1 6814 3316 1412
2 7918 4515 2218
5 8714 6110 2518
10 9010 7313 2811
15 9018 7815 3111
20 9112 8311 3213
50 9810 9412 4812
75 9816 9717 5619
100 9912 9817 6113
200 9914 9819 7219
500 9917 9913 8614
1000 9918 9915 9211
214 　矿物粒径对137Cs 吸附的影响
不同粒径的沸石和珍珠岩经 3h 吸附平衡后 ,测得粒径大小对137Cs 吸附的影响 (表 4) 。
表 4 　粒径对137Cs 吸附的影响
Table 4 　Effect of size on adsorption of 137Cs
粒级
size
平均粒径　mean size
(mm)
吸附率　adsorption rate ( %)
沸石　zeolite 珍珠岩　pearlite
Ⅰ 011 9416 58182
Ⅱ 012 9216 42122
Ⅲ 014 9114 32121
Ⅳ 0175 8118 27166
Ⅴ 115 7915 25115
Ⅵ 215 7619 22185
从表 4 可看出 ,随着粒径的增大 ,矿物对137Cs 的吸附率降低。显然 ,这与颗粒表面积的大
小有关。粒径越小 ,单位质量粒子的表面积越大 ,吸附量越大 ,对137 Cs 的吸附率也越大 ;反之 ,
粒径增大 ,表面积减少 ,吸附量减少 ,吸附率降低。
粒径 X (mm)与吸附率 Y ( %) 之间的关系服从幂回归方程 , Y = A X b。方程中的有关参
数见表 5。
表 5 　吸附剂粒径( X)与吸附率( Y)之间的幂回归方程参数
Table 5 　Parameter in power regression equation between
adsorbents size ( X) and adsorption rate ( Y)
吸附剂　adsorbent A 　( %) b r
沸　石　zeolite 8211 - 010702 - 019628
珍珠岩　pearlite 2715 - 012846 - 019724
　　　　注 :幂回归方程 : Y = A X b( %)
　　　　Note : Power regression equation : Y = A X b( %)
732　4 期 137Cs 在水—吸附剂体系中的行为
215 　活化处理对矿物吸附137Cs 的影响
矿物经活化处理后的结果列于表 6。
表 6 　活化处理对矿物吸附137Cs 的影响
Table 6 　Effect of activated treatment on adsorption of 137Cs by mineral
矿　物
mineral
吸附率　adsorption rate 　( %)
未处理　untreated 处理　treated 增加值　increased value
分子筛　molecular sieve 9017 9615 518
膨润土　bentonite 7919 8417 418
陶　土　pottery clay 7519 8215 616
硅藻土　kieselgur 7614 8115 511
高岭土　kaolin 7315 7914 519
羊干土　yanggantu 6914 7717 813
珍珠岩　pearlite 4518 5315 717
　　从表 6 可以看出 ,矿物经活化处理后对137 Cs 的吸附率提高了 ,提高值在 510 %～910 %之
间。
216 　K离子浓度对吸附剂吸附137Cs 的影响
K离子浓度对吸附剂吸附137Cs 的影响列于表 7。
表 7 　K离子浓度对吸附剂吸附137Cs 的影响
Table 7 　Effect of K+ concentration on adsorption
of 137Cs by adsorbents
[ K+ ]
(mol/ L)
吸附率　adsorption rate ( %)
沸石　zeolite 羊干土　yanggantu 小粉土　sandy loam
0 9318 6913 6214
010001 9113 5717 5310
01001 8218 3015 2811
0101 4010 213 116
水体中若有 K离子存在 ,吸附剂对137Cs 的吸附明显减少 , K离子浓度越大 ,影响越大。这
是由于 K +与 Cs + 拮抗作用所引起的[9 ] 。这种影响可用指数函数方程 Y = Aebx来描述 ,式中
Y 为吸附剂对137Cs 的吸附率 ( %) , X 为水体中 K离子的浓度 ( mol/ L) ,方程中有关的参数列
于表 8。
表 8 　吸附剂的吸附率( Y)与 K离子浓度( X)之间的指数函数方程参数
Table 8 　Parameter in exponential regression equation between adsorption rate
( Y) and K+ concentration ( X)
吸附剂　adsorbent A( %) b(mol/ L) - 1 r
沸石　zeolite 9210 - 8315 - 019991
羊干土　yanggantu 5613 - 32717 - 019911
小粉土　sandy loam 5210 - 35016 - 019939
　　　　注 :指数函数方程 : Y = Aebx( %)
　　　　Note : The exponential regression equation : Y = Aebx ( %)
832 核　农　学　报 14 卷
217 　137Cs 在土壤中的吸附、移动和分布
137Cs 在土壤中的吸附、移动和分布测定结果列于表 9。
表 9 　137Cs 在土壤中的吸附、移动和分布
Table 9 　Adsorption , migration and dist ribution of 137Cs in the soil
土壤
soil
土壤深度　deepness of soil 　(cm)
0 - 1 1 - 2 2 - 3 3 - 4 4 - 5 5 - 10 10 - 15
淋溶水
leachate
青紫泥
farinose clay
86126 8135 2149 2145 0112 0125 0108 0
红　壤
clay loam
84104 10182 4142 0144 0105 0116 0107 0
小粉土
sandy loam
88126 6178 2120 1104 0184 0166 0122 0
江涂土
sandy soil
77140 15183 2131 1196 1179 0162 0109 0
从表 9 可以看出 :11 137Cs 很容易被土壤所吸附 ,除江涂土外 ,有 80 %以上的137 Cs 集中在
0～1cm 的土层中。在 0～2cm 内 ,4 种土壤都集中了 95 %左右的137Cs ,而在 0～5cm 范围内 ,4
种土壤则吸附了所加入137Cs 总量的 99 %以上 ,而 5cm 以下的137Cs 只占不到 1 %。
21 137Cs 在土壤中的移动是一个吸附和解吸的复杂过程 ,由于土壤对137 Cs 强烈的吸附作
用 ,15cm 厚的土层经 200ml 水淋溶后 ,137 Cs 几乎全部都被土壤所吸附 ,在淋溶水中未检测出
137Cs。
3 　结 　论
本试验得出结论如下 :
11 供试用的吸附剂对水体中137Cs 的吸附作用进行得很快 ,吸附率随着时间延长而增加 ,
不同的吸附剂有不同的饱和吸附率 ,约 3h 后吸附作用达到平衡。
21 供试吸附剂中以沸石、分子筛和蒙脱石对137 Cs 的吸附能力最强 ,其吸附率达 90 %以
上 ,膨润土、硅藻土等次之 ,达 70 %以上。它们可用来净化水体中的137 Cs ,而青紫泥、小粉土和
红壤则是廉价、方便和实用的137Cs 净化剂。
31 随着吸附剂用量的增加 ,水体中137 Cs 的净化能力增加 ,选择合适的吸附剂水质量比 ,
可达到理想的吸附效果。
41 矿物对水体中137 Cs 的吸附率 ( Y ) 与矿物的粒径 ( X) 之间呈幂回归方程关系 ,即 , Y =
A Xb ,选择适当粒径的矿物可达到理想的吸附效果。
51 矿物经活化处理后 ,对137Cs 的吸附率提高 ,提高效率在 5 %～9 %之间。
61 由于拮抗作用 ,水体中 K离子的存在明显抑制吸附剂对137 Cs 的吸附。吸附剂对137 Cs
的吸附率 Y ( %)与 K离子浓度 ( X)之间呈指数函数关系 ,即 , Y = Aebx。
71 土柱试验结果表明 ,137 Cs 在土壤不易移动 ,0～5cm 的表土层内几乎集中了施入量的
99 %以上 ,淋溶水未检测到137Cs。
932　4 期 137Cs 在水—吸附剂体系中的行为
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BEHAVIOR OF 137Cs IN THE WATER2ADSORBENT SYSTEMS
XU Yin2liang1 　CHEN Kai2xuan1 　CHEN Chuan2qun1 　XU Yu2xin2
(11 Instit ute of N uclear2A gricult ural Science , Zhejiang U niversity , Hangz hou , Zhejiang prov . 　310029 ;
21 Resources and Envi ronmental College , S handong A gricult ural U niversity , Taian , S handong prov . 　271018)
ABSTRACT :The 137Cs adsorption rate by adsorbents in the water increased with the time and it
reached balance after 3h. The saturate values of adsorption rate were different with various ad2
sorbents tested. Among them , zeol ite , molecular sieve and montmorillonite were strong adsor2
bents to 137 Cs , however , farinose clay , sandy loam 10cm and clay loam 10cm were cheap and
available purif ication agents for 137Cs. The activation treatment improved adsorption abil ity of
minerals to 137 Cs. Threre was a power regression bet ween the mineral size and the adsorption
rate. Selecting suitable size might obtain an ideal effect of adsorption. Potassium ion inhibited
the adsorption to 137Cs in the water body by adsorbents because of antagonism. The migration of
137Cs was very slow in the soil and 99 % of 137Cs was concentrated in the surface soil( 0～5cm) .
Key words :137Cs ; adsorbent ; purification agent ; antagonism
042 Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
2000 ,14 (4) :234～240