doi：10.20242/j.issn.2097-5384.2026.03.020

引用格式： 张江峰，张益硕，辛燕，等 . 钙铝双金属化合物增强生物炭去除水中的铀［J］. 有色金属（中英文），2026，16（3）：637-648.

ZHANG Jiangfeng，ZHANG Yishuo，XIN Yan，et al. Calcium-Aluminum Bimetallic Compound Enhanced Biochar for Uranium Removal from Water［J］. Nonferrous Metals，2026，16（3）：637-648.

随着当前核能与核技术的广泛应用，铀矿开采、水冶、核燃料加工等产业链环节均会产生大量含铀放射性废水。铀作为天然放射性重金属元素，兼具化学毒性与放射毒性双重危害。含铀废水若未经有效处置直接排入天然水体，溶解态的铀酰离子将通过食物链富集并进入人体，可能引发肾脏等器官的损伤，其衰变释放的α射线更会显著增加人体患癌症及遗传性疾病的风险。鉴于水体中铀污染具有隐蔽性强、生物毒性高且难以自然降解的特点，如何经济高效地处置含铀废水，以阻断其向生态环境的迁移扩散，已成为核能可持续发展进程中亟待解决的关键环境问题之一。

在现有的含铀废水处理技术中，吸附法凭借操作简便、处理效率高、适应性强且二次污染风险较低等综合优势，已成为含铀废水深度净化领域的研究热点与应用最广泛的技术之一。吸附技术的核心在于吸附材料的性能。尽管传统的无机吸附材料或离子交换树脂在一定程度上能够实现铀的去除，但在实际应用中仍面临成本高昂、吸附容量有限、选择性差或可能产生二次污染等挑战。因此，为了推动核工业的绿色发展，响应国家“双碳”战略目标，当前研究的重点方向应聚焦于开发低成本、高效率、可大规模制备且环境友好的新型吸附材料。这类材料需具备优异的吸附容量与选择性，同时兼顾良好的解吸与再生性能，以期在保障放射性废水安全处置的同时，实现资源节约与环境友好的双重效益。

未经强化的原始生物炭对铀的去除能力具有明显的局限性，因此通过改性技术强化生物炭对目标污染物的吸附能力已成为原始生物炭需重点研究的方向之一。双金属化合物的层状结构和丰富的含氧吸附官能团使其具有高效去除铀的能力，但双金属化合物也面临自身团聚的共性问题，这将影响其活性位点的吸附能力。有趣的是，生物炭的多孔结构和高比表面积，可改善双金属化合物团聚的缺陷。因此，本文采用原位生长技术制备出钙铝双金属化合物(CA)改性竹筷生物炭(BC)复合材料(CA-BC)，CA的层状结构和丰富的含氧吸附官能团可与BC富含的多孔结构产生协同效应。CA-BC的成功制备可为铀废水的高效处理及废弃竹筷的增值化渠道提供可行的策略。

图1(a)为初始pH对CA-BC去除铀的影响。可知，在pH为2.0到4.0的范围内，CA-BC对水中铀的去除率随着溶液pH的增大而增加，pH>4.0后去除率呈现下降的趋势。这可能是因为，pH较低时溶液中H+较多，较多的H+易与UO22+产生竞争吸附，且强酸性时，CA-BC具有较高的Zeta电位(图1b)，与UO22+排斥，因此CA-BC对铀的去除率较低。pH过高时，CA-BC对铀的去除性能也呈下降趋势，这可能是因为，pH过高时，溶液中的铀不再以UO22+的形式存在，而是以稳定的铀物种存在(图1c)，这些稳定的铀物种吸附亲和力较低，影响CA-BC对铀的去除。

                              图1 体系不同初始pH值对实验效果的影响

（1）时间因子

图2为时间对CA-BC去除铀的影响。CA-BC对铀的吸附性能随时间的延长先升高后达到动态平衡。时间初期，CA-BC具有丰富的活性位点，铀被快速吸附。随着吸附的进行，可用活性位点及水中铀浓度均减少，其去除率趋于平衡。在10 min时即可达到吸附平衡，表明CA-BC对铀具有较快的吸附速率。

                                                图2 吸附过程所用时间

（2）循环性与稳定性

为评估CA-BC的循环稳定性，采用文献所报道的0.01 mol·L-1的HCl溶液作为脱附剂，进行5次吸附-脱附循环试验。图3(a)为CA-BC去除铀的循环稳定性。图3(a)得出，5次循环后去除率为82.18%，表明 CA-BC具有较好的循环稳定性。循环中的离心及洗涤等过程会导致CA-BC质量的减少，解吸剂也可能会影响CA-BC表面的官能团，这可能会导致CA-BC去除率的下降。图8(b)为CA-BC去除铀的长期稳定性。图3(b)得出，CA-BC在50天内未发生铀的解吸。

                                             图3 循环实验、稳定性实验

（1）吸附铀前后SEM及EDS分析

如图，可以看出CA-BC的形貌在吸附铀后发生了显著改变。吸附前呈现典型的片状结构(图4(a))，吸附铀后(图4(c))，CA-BC表面出现了大量的颗粒状沉积物且大部分片状结构消失，这可能是因为吸附的铀溶液为酸性，在吸附过程中与CA-BC发生反应所致。值得注意的是，EDS分析得出(图4(b)和(d))，CA-BC吸附铀前含有C，Ca，Al，O等元素，吸附后出现了U元素，表明CA-BC已成功吸附了铀。

                                              图4 吸附铀前后SEM、EDS对比

（2）吸附前后XPS对比

CA-BC吸附后，观察到铀的特征峰，表明铀被成功吸附，这与EDS的结果一致。U4f分别为位于381.35 eV和392.2 eV的峰，分别对应于U 4f₇⁄₂和U 4f₅⁄₂，表明吸附的铀未发生氧化还原过程。C1s精细谱在284.84 eV、286.73eV和289.16eV，对应于C–C/C=C、C–O和C=O，C1s精细谱吸附铀前后未发现明显的偏移，因此推测出生物炭自身并不是复合材料中去除铀的主要部分。O1s 的精细谱可识别出位于 531.61 eV、532.37 eV 和 533.89eV的三个峰，分别对应于CO₃²⁻，-OH和吸附的H₂O分子，值得注意的是，吸附后O1s精细谱峰面积显著增加，这可能归因于含氧官能团与UO₂²⁺的络合所致。图5(e)为CA-BC吸附铀前后Al2p的精细谱，74.44 eV为 Al³⁺的特征峰, 吸附铀后发生了偏移，这可能是铝羟基与铀的络合所致。图5 (f)为CA-BC吸附铀前后Ca2p的精细谱，吸附前，Ca 2p在346.81 eV和350.31 eV分别对应于Ca 2p₃⁄₂和Ca 2p₁⁄₂，其结合能的ΔBE为3.5 eV，根据文献的报道及XRD的分析，可以推断出CA-BC含有碳酸钙，另外，吸附后Ca 2p峰面积显著降低且结合能发生移动，这可能是因为Ca²⁺与UO₂²⁺发生离子交换所致。

                                                图5 CA-BC吸附铀前后XPS谱图

该研究的创新点在于利用原材料丰富的生物炭为前驱体，通过钙铝层状双金属氢氧化物的插层组装，实现了对生物炭的协同改性。该复合材料不仅继承了竹子生物炭高比表面积和低成本的优势，更通过引入钙铝层状双金属氢氧化物特有的“记忆效应”和丰富的表面羟基，显著增强了对铀酰离子的化学吸附亲和力与选择性。双重机制协同效应，改善了单一生物炭吸附容量有限及传统吸附剂易团聚的缺陷，为含铀废水的低成本、绿色高效处理提供了新思路。