己二酸改性磁性水滑石的制備及其吸附鈾的性能

任 宇，宿延濤，陳樹森，勾陽飛，王鳳菊

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

己二酸改性磁性水滑石的制備及其吸附鈾的性能

任 宇，宿延濤，陳樹森，勾陽飛，王鳳菊

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

研究了用化學共沉淀法和離子交換法合成己二酸改性磁性水滑石，并采用FT-IR、TGA和VSM等手段對其結構、熱穩(wěn)定性和磁性能進行表征。考察了溶液pH、接觸時間、鈾初始質量濃度等對己二酸改性磁性水滑石吸附鈾的影響。結果表明，己二酸改性磁性水滑石對鈾有較好的吸附效果，吸附平衡容量達332 mg/g干，對低質量濃度(<10 mg/L)鈾的吸附率大于93%，所吸附的鈾可通過磁分離技術加以回收。利用己二酸改性磁性水滑石處理含鈾溶液有一定應用前景。

磁性水滑石；己二酸；化學改性；鈾；吸附

近年來，磁性材料的發(fā)展突飛猛進，已應用于磁分離、生物醫(yī)學、污染防治等多個領域[11-14]。另外，借助化學改性手段，磁性材料能夠與其他功能材料有機結合，轉變成磁性復合功能材料。因這類材料既具有磁性材料的磁響應能力又具有其他功能材料的特性而備受關注。

基于水滑石類材料和磁性材料的特性并兼顧制備成本，試驗擬將水滑石類材料和磁性材料有機結合，并通過己二酸對其化學改性，開發(fā)出一種新型、廉價的己二酸改性磁性水滑石復合功能材料，通過FT-IR、TGA和VSM等對其結構和性能進行表征，并測試了其對鈾的吸附性能。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

SHZ-82型氣浴恒溫振蕩器，江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司；智能升降水浴鍋、機械電動攪拌器，鞏義市予華儀器有限責任公司；Impact410型紅外光譜儀，美國Nicolet公司；pHS-25型pH計，北京精微高博科技有限公司；三口瓶、冷凝管，北京欣維爾玻璃儀器有限公司。

硫酸亞鐵、硫酸鐵、氨水、硝酸鎂、硝酸鋁、氫氧化鈉、無水碳酸鈉，均為市售分析純試劑。

1.2 己二酸改性磁性水滑石的制備

1.2.1 磁性介質的制備

稱取FeSO4·7H2O 2.78 g和FeCl3·6H2O 5.40 g于250 mL三口瓶中，加入100 mL去離子水，攪拌溶解。在65 ℃下，向三口瓶中滴入濃度為0.6 mol/L的氨水至溶液pH在10～11之間，滴完后繼續(xù)反應1 h，然后在此溫度下陳化1 h，得黑褐色沉淀。用磁鐵吸引傾去上層清液，分別用乙醇、丙酮、去離子水洗滌沉淀物至中性且無Cl-(Ag+檢驗)，備用。

1.2.2 磁性鎂鋁水滑石的制備

采用化學共沉淀法制備磁性鎂鋁水滑石。稱取0.4 g磁性介質于三口瓶中，加入適量去離子水，劇烈攪拌，恒溫水浴加熱至65 ℃。稱取0.10 mol Mg(NO3)2·6H2O 和0.05 mol Al(NO3)3·9H2O 溶解于100 mL去離子水中獲得溶液A；將0.33 mol NaOH和0.10 mol Na2CO3溶解于100 mL去離子水中獲得溶液B；將溶液A與溶液B同時滴加到三口瓶中，至溶液pH=10，在65 ℃下繼續(xù)攪拌8 h。靜置沉淀一段時間后抽濾，用乙醇、去離子水洗滌沉淀物至中性，在70 ℃下真空干燥，研磨后即得磁性鎂鋁水滑石。

1.2.3 己二酸改性磁性水滑石的制備

采用離子交換法制備己二酸改性磁性水滑石(A-LDH-M)。稱取2.0 g磁性鎂鋁水滑石于三口瓶中，加入去離子水，在70 ℃下攪拌一定時間使其充分溶脹、分散。稱取3.2 g己二酸加入到氫氧化鈉溶液中，形成己二酸鈉鹽，然后加入到分散溶液中，攪拌，調節(jié)體系pH至4，回流反應2 h后過濾、洗滌，于70 ℃下在真空烘箱中干燥，之后研磨得到A-LDH-M。

1.3 產(chǎn)物表征

1)傅里葉紅外光譜(FT-IR)分析

紅外表征利用Impact410型傅里葉紅外光譜儀，掃描范圍4 000～500 cm-1。以干燥后的KBr作基底材料，將真空干燥后的A-LDH-M及少量KBr混合并研磨成細粉，壓片測試。

2)熱重(TGA)分析

熱重分析利用美國Perkin-Elmer公司的TGA7型熱重分析儀，測試條件：溫度范圍25～600 ℃，升溫速度10 ℃/min，高純氮氣保護，氣體流速60.0 mL/min。

3)振動樣品磁強計(VSM)分析

磁滯回線測試利用TDAW-2000型變溫振動樣品磁強計，磁矩量程20.00 emu，磁場強度量程250 A/m，磁場強度設定125 A/m，時間常數(shù)0.1 s，退磁因子0.322 0。

1.4 A-LDH-M吸附鈾的性能測試

通過靜態(tài)吸附試驗，考察溶液pH、接觸時間、鈾初始質量濃度等因素對A-LDH-M吸附鈾的影響及A-LDH-M對低濃度鈾的吸附性能。

2 試驗結果與討論

2.1 A-LDH-M的表征

2.1.1 紅外光譜分析

A-LDH-M的紅外光譜分析結果如圖1所示。

圖1 A-LDH-M的紅外光譜

2.1.2 熱重分析

A-LDH-M的熱重分析結果如圖2所示。

圖2 A-LDH-M熱重分析曲線

由圖2看出：隨溫度升高，A-LDH-M逐步發(fā)生熱分解，熱分解過程主要包括脫出層間水、層板羥基脫水、層間己二酸根離子氧化分解等，最終使A-LDH-M的有序層狀結構被破壞，形成復合金屬氧化物。在350～460 ℃范圍內，曲線出現(xiàn)大幅變化，表面熱分解反應加劇，對應著A-LDH-M層間己二酸根離子發(fā)生氧化分解。

2.1.3 磁性能分析

1)順磁性能

為了驗證所制備的A-LDH-M是否具有順磁性，用相機拍照后進行宏觀觀察。將A-LDH-M分散在水中，然后在燒杯右側施加1個磁場對其進行吸引。A-LDH-M在外加磁場吸引下迅速向磁鐵方向靠近，并且全部聚集在磁極附近，分散介質水變得清亮；撤離磁場后，A-LDH-M在超聲或攪拌后仍均勻分散在水溶劑中：這表明A-LDH-M具有良好的順磁性能。

2)磁滯回線

利用振動樣品磁強計測定A-LDH-M的磁滯回線，如圖3所示。

圖3 A-LDH-M的磁滯回線

由圖3看出：磁滯回線呈S型，幾乎沒有滯后效應，矯頑力和剩磁都非常小，這充分說明A-LDH-M具有良好的超順磁性；隨外加磁場強度增大，A-LDH-M磁化強度不斷增大，外加磁場強度為25 A/m時，A-LDH-M的磁化達到飽和，其磁化強度趨于定值，即比飽和磁化強度為6.16 Am2/kg，這說明A-LDH-M具有較好的磁響應能力，可在較小的磁場強度下工作。

2.2 A-LDH-M吸附鈾的性能研究

2.2.1 溶液pH對A-LDH-M吸附鈾的影響

配制鈾質量濃度25.2 mg/L的溶液8份，用0.1 mol/L HNO3和0.5 mol/L NaOH溶液調節(jié)鈾溶液pH。

靜態(tài)吸附試驗條件：8個錐形瓶中分別加入0.1 g A-LDH-M，再分別加入不同pH的含鈾溶液100 mL，然后將錐形瓶放入恒溫氣浴振蕩器中振蕩，控制溫度為25 ℃，接觸時間2 h。測定吸附前后溶液中鈾質量濃度，計算鈾吸附率，結果如圖4所示。

圖4 溶液pH對A-LDH-M吸附鈾的影響

從圖4看出：隨pH增大，A-LDH-M對鈾的吸附率先升高后降低；pH在4～7之間時，A-LDH-M對鈾的吸附率達95%以上；在堿性(pH為8、10)條件下，A-LDH-M對鈾的吸附率也在90%以上。

2.2.2 吸附時間對A-LDH-M吸附鈾的影響

配制鈾質量濃度為26.0 mg/L的溶液8份，調節(jié)溶液pH=6。

靜態(tài)吸附試驗條件：向8個錐形瓶中分別加入0.1 g A-LDH-M、鈾溶液100 mL，放入恒溫氣浴振動器中振蕩吸附，溫度為25 ℃。接觸時間對A-LDH-M吸附鈾的影響試驗結果如圖5所示。

圖5 吸附動力學曲線

由圖5看出，在前50 min內，A-LDH-M對鈾的吸附速度較快，吸附80 min后達到平衡。

2.2.3 鈾初始質量濃度對A-LDH-M吸附鈾的影響

向11個錐形瓶中分別加入0.1 g A-LDH-M及pH=6、鈾質量濃度不同的溶液100 mL，放入恒溫氣浴振動器中振蕩吸附，控制水浴溫度為25 ℃、接觸時間為80 min。A-LDH-M吸附鈾的試驗結果如圖6所示。

圖6 吸附等溫線

由圖6看出，隨溶液中鈾質量濃度增大，A-LDH-M對鈾的吸附容量先迅速增大，之后趨于平衡，最大吸附容量為332 mg/g干。

2.2.4 A-LDH-M對低濃度鈾的吸附

向5個錐形瓶中分別加入0.1 g A-LDH-M及pH=6、鈾質量濃度不同的溶液100 mL，放入恒溫氣浴振動器中振蕩吸附，控制水浴溫度為25 ℃，接觸時間為80 min。A-LDH-M對低質量濃度鈾的吸附結果見表1。

表1 A-LDH-M對低質量濃度鈾的吸附結果

由表1看出，A-LDH-M對低質量濃度(<10 mg/L)鈾的吸附效果較好，吸附率大于93%。

3 結論

采用化學共沉淀法和離子交換法可制備己二酸改性磁性水滑石，所制備的磁性水滑石具有良好的磁性能，比飽和磁化強度為6.16 Am2/kg。

己二酸改性磁性水滑石對pH為4～7的溶液中的鈾具有良好的吸附效果，吸附平衡時間為80 min，平衡吸附容量可達332 mg/g干，對低質量濃度(<10 mg/L)鈾的吸附率大于93%。

己二酸改性磁性水滑石是一種帶磁性的鈾吸附劑，可有效吸附溶液中的鈾，并通過磁分離技術回收鈾，對于含鈾溶液的處理有一定應用前景。

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Preparation and Adsorption Behavior for Uranium of Magnetic Hydrotalcite Modified by Adipate

REN Yu，SU Yantao，CHEN Shusen，GOU Yangfei，WANG Fengju

(BeijingResearchInstituteofChemicalEngineeringandMetallurgy，CNNC，Beijing101149，China)

Magnetic hydrotalcite modified with adipate was prepared by chemical coprecipitation and ion exchange.The product was charactered by FT-IR,TGA and VSM.Batch experiments were conducted to examine the effects of pH and shaking time on adsorption efficiency of the product for uranium.The results show that the magnetic hydrotalcite modified with adipate can efficiently adsorb uranium,and its equilibrium adsorption capacity for uranium is 332 mg/g.The adsorption rate is over 93% when the initial uranium concentration is less than 10 mg/L.The magnetic hydrotalcite modified with adipate can recovery uranium through magnetic separation technique and can applicate in treating uranium solution.

magnetic hydrotalcite;adipate;chemical modification;uranium;adsorption

2016-10-21

鈾礦冶自主科研項目。

任宇(1984-)，男，北京人，碩士，工程師，主要研究方向為有機/無機分離材料研發(fā)。E-mail：renyu0618@163.com。

陳樹森(1978-)，男，遼寧葫蘆島人，博士，研究員級高級工程師，主要研究方向為有機高分子分離材料研發(fā)。 E-mail：samcss@163.com。

TL212

A

1009-2617(2017)03-0213-05

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.03.011