水體中碘131的去除

姚煒棟，陳澄宇

(1 華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州 510642；2 華南理工大學環境與能源學院，廣東 廣州 510006)

碘在日常生活中廣泛存在，比如富含碘的海藻類食物、含碘化物成分的藥丸以及在皮膚上使用來防止受傷感染的碘化物消毒液。除非我們刻意討論起放射性碘，否則在日常生活中則較少提起。雖然日本2011年的大地震已經過去了幾年，但是每當提及起福島核泄漏事故，人們難免會談核色變。大地震之后出現了棘手的問題，大量的I-131(一種放射性核素)泄漏到海洋和大氣中。I-131是一種水溶性物質，會進入大氣并沉降到水環境中，因此它能夠通過太平洋往世界各地擴散。

I-131在環境的變化包括衰變過程和“有機固定”。衰變過程伴隨著β粒子和弱γ輻射的發射。而“有機固定”則表示碘與有機物結合的潛力，它可以減緩碘在環境中的遷移。

I-131對人體健康的影響可分為兩大類：外部暴露和內部暴露。外部暴露是指直接接觸大量I-131，這可能導致眼睛和皮膚灼傷。內部暴露會對甲狀腺造成嚴重的影響。一旦人們攝入含I-131的食物或水，這種放射性核素就會被人體吸收，然后身體器官就暴露在輻射下。這可能會增加患甲狀腺癌或其他甲狀腺疾病的風險[2]。未積聚在甲狀腺中的其余放射性碘將隨尿液排泄出人體。

大氣中的I-131可以沉降在水果和蔬菜上直接被人們食用，或者它可以落在草地上并被奶牛和山羊食用，然后當我們喝從他們那里生產的奶制品時，也可能會接觸到它。在福島核泄漏事故發生后不久，我國也進行了對空氣氣溶膠、地面水、雨水、土壤、蔬菜、牛奶等樣品的放射性監測。表1是在2011年北京地區進行采樣監測得到的部分結果，可以看出福島核泄漏對北京地區的環境質量有一定程度的影響，不過所幸放射性污染物的濃度較低。根據相應的國家標準GB18871-2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》，對空氣中I-131活度規定限值為24.3 Bq/m3，飲用水為10 Bq/m3，食品為1 kBq/m3[3]。而顯然，表1中I-131的數據均未超過規定限值，因此事故對北京地區人群的健康影響較少。另外，我國于2011年3月30日起對8個城市牛奶樣品中放射性核素活度濃度實施了監測[4]。監測結果表明，28個牛奶樣品均未檢出I-131。雖說事故對我國的影響有限，但根據上述討論，也應特別注意處理I-131。

表1 北京地區2011年四月份樣品放射性核素檢測結果[5]Table 1 Test results of radionuclides in samples in Beijing, April 2011

1 用于去除I-131的處理方法

碘可以用幾種不同的方法處理，包括絮凝、反滲透、離子交換法和吸附法。

美國環保署建議將反滲透作為去除放射性核素的處理工藝。反滲透被認為是鈾、鐳、總α放射性和總β放射性的最佳技術。它甚至有可能去除高達99%的放射性核素，以及許多其他污染物(如砷，硝酸鹽和病原菌)[6]。此外，根據美國環保署在其網站上所說的，反滲透不能去除二氧化碳和氡等氣態污染物。只能說反滲透是去除放射性核素的有效方法，并不意味著它對I-131的作用也具有同樣效果。福島核電站的I-131實際上是作為工業尾氣釋放出來的，然后被空氣的水蒸氣捕獲，之后它會隨降雨落下并進入附近的水源。美國環保署也沒有特別將反滲透作為I-131的最佳處理工藝。而且，Summers等[7]發現碘與水生腐殖質反應，活性炭的絮凝和吸附作用似乎對去除碘與腐殖質的復合物更有效。更重要的是，反滲透比活性炭吸附的成本貴得多，這使得吸附法成為更具競爭力的技術。

上述這些處理方法都有其自身的缺點，需要進一步改進。本文主要關注吸附法，下面將對其進行介紹。

2 吸附法

雖然如前所述，顆粒狀活性炭(Granular Activated Carbon，GAC)的吸附作用可以去除I-131。GAC的簡單處理仍然不足以獲得令人滿意的結果。因為GAC在吸附一定量的碘后會出現“孔堵塞”，進一步影響吸附的效果。從Bhatia等[9]的研究中得出的結論分析，吸附在GAC上的碘可分為兩部分：已經吸附到GAC上的“不可逆”部分和仍然試圖進入GAC的Langmuir等溫線的“可逆”部分。然而，由于不可逆的碘或捕獲的碘阻塞了或改變了孔隙的結構，它能阻止隨后的碘進入GAC。

為了增強吸附的效果，人們根據碘的化學性質，開始從吸附劑本身開始改造。一些學者在吸附劑的基礎上引入銀，通過化學反應進一步捕獲碘。根據Ho等[10]的研究，用銀和氯預處理得到的活性炭改善了對碘的吸附，這種活性炭稱為銀浸漬活性炭。在銀浸漬活性炭表面上，銀沉淀物中的氯離子和碘離子之間存在離子反應。因為碘化銀的溶度積常數遠低于氯化銀。離子反應為：AgCl (s)+I-(aq) → AgI (s)+Cl-(aq)。他們發現在流過數千個體積的吸附床后，碘化物的去除率超過98%，濃度僅為10-7mol/L。根據Hoskins等[11]的研究，銀浸漬活性炭的優勢在于它對pH的依賴性低于GAC，并且當吸附飽和、反應完全時，碘的吸附量將遠高于GAC。銀浸漬活性炭的缺點或限制是：如果銀的含量比碘化物濃度低得多，則不能增加吸附效率；如果銀含量比碘化物濃度高得多，并且在強酸性條件下，銀浸漬活性炭的銀浸出也會對碘化物的吸附產生影響。為了改善這個問題，應該觀察記錄不同碘化物濃度以及pH條件的所需的最適銀含量，以便使銀浸漬活性炭產生最佳吸附能力，同時節約成本。

最近，利用Ag2O嫁接的層狀納米材料，如Ag2O嫁接層狀鈦酸鹽和Ag2O嫁接層狀釩酸鈉，對放射性Cs+和I-具有比較好的去除能力。這些發現用于同時捕獲廢水中的放射性陽離子和陰離子，引出了吸附劑嫁接合成的新方向。Mu等[12]通過對戊乙氧基鈮溶液的簡單水熱處理和化學沉淀過程得到Ag2O-鈮酸鹽納米纖維。該材料具有由[NbO6]和[NaO6]八面體單元組成的分層結構，它賦予這些材料豐富的微孔結構和相對大的比表面積。它們在各種pH條件下都是穩定的，并且表現出優異的耐輻射性。實驗表明，超過97%的碘離子在水溶液中被除去。此外，Ag2O-鈮酸鹽納米纖維對碘離子具有高選擇性，高濃度的氯離子對碘離子競爭吸附能力的影響不大。

Bo等[13]發現鈦酸鹽納米材料具有高吸附性能和對輻射、高溫的穩定性，因而適合用于研究處理含放射性離子的廢水。此外，還發現Ag2O晶體具有與鈦酸鹽納米結構表面結晶相似的表面。這種性質意味著Ag2O晶體可以在Ag2O晶體和鈦酸鹽之間的表面處共享氧原子而牢固地附著在鈦酸鹽納米材料的外表面上，形成Ag2O-鈦酸鹽納米纖維。Ag2O-鈦酸鹽納米纖維可以在大流量污水里以相當大的速率捕獲水溶液的碘離子，可以作為工業規模放射性碘去除的有效吸附劑，采用這種材料結合吸附柱可以有效捕獲核事故中的放射性碘。

除了上述材料外，還有一些人研究了生物材料。姜箏等[14]以面包酵母菌和大腸桿菌作為生物吸附劑，觀察其對溶液中碘離子的生物吸附行為。他們的研究顯示，面包酵母菌和大腸桿菌對碘離子的吸附是一個相對快速的過程，分別在60 min、20 min左右達到吸附平衡，理論最大吸附量分別為120.7 μmol/g和37.2 μmol/g。主要機理是兩種細菌的細胞壁上含有酰胺、羥基和羧基基團，它們參與了對碘離子的化學吸附過程。雖然吸附劑成本比較低廉，但這種生物材料對水體環境的要求比較苛刻，特別是pH。此外，還應關注生物材料在處理放射性廢水中是否發生基因突變，否則這個變異細菌一旦泄露到環境將會造成更大的危害。

3 結 語

吸附法在處理放射性碘的廢水中應用廣泛，而且不斷得到發展。人們根據碘元素的特殊性，在吸附劑原有的基礎上引入銀，增強了吸附效果，但同時增加了處理廢水的成本。這些新型吸附劑的再生利用也是一個新的研究課題。而對于吸附劑的改造，我們也可以通過對吸附劑“孔堵塞”的研究，減少這種效應，提高吸附劑的利用率。另外，還要更好地與實際工業生產條件結合起來，形成一套完整的工藝流程。