黏土礦物對(duì)風(fēng)化殼淋積型稀土礦浸礦劑中的吸附和脫附特性研究

黃書(shū)鑫，馮 健，劉杰泉，余軍霞，池汝安

(武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院綠色化工過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430073)

風(fēng)化殼淋積型稀土礦因其富含極具開(kāi)采價(jià)值的中重稀土元素而受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1]。工業(yè)上常采用銨鹽為浸礦劑通過(guò)原地浸出的方式浸出稀土[2-4]，但浸礦過(guò)程中大量殘留銨鹽的釋放會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染，迫切需要治理[5-7]。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

高嶺土、蒙脫土和伊利石分別購(gòu)買(mǎi)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司、阿拉丁試劑有限公司和鼎華科技有限公司。碘化鉀、碘化汞、氫氧化鈉、硫酸銨、氯化鈉、氯化鉀、無(wú)水氯化鈣、無(wú)水氯化鎂、六水合三氯化鐵、無(wú)水氯化鋁等，試劑純度均為分析純，購(gòu)買(mǎi)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

ME204E/02電子分析天平產(chǎn)于梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司，TG16-II高速離心機(jī)產(chǎn)于湖南平凡科技有限公司，UP-850恒溫培養(yǎng)振蕩器產(chǎn)于上海優(yōu)普實(shí)業(yè)有限公司，DZF-6050MBZ真空干燥箱產(chǎn)于上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司，SmartN15UV純水儀產(chǎn)于力康生物科技(香港)控股有限公司，A390紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)產(chǎn)于翱藝儀器(上海)有限公司。

1.2 等溫吸附實(shí)驗(yàn)

圖1 等溫吸附實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Flow chart of isotherm adsorption experiment

(1)

式中：V為吸附溶液體積，mL；m為吸附劑質(zhì)量，g。

1.3 解吸附實(shí)驗(yàn)

圖2 解吸附實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2 Flow chart of the desorption experiment

(2)

1.4 脫附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品表征

蒙脫土、高嶺土、伊利石樣品的XRD、SEM、Zeta電位分析結(jié)果如圖3～圖5所示。由XRD分析結(jié)果可知， 蒙脫土樣品在2θ=17.8°、 2θ=26.8°、2θ=39.6°等處具有特征衍射峰；高嶺土樣品在2θ=26.1°、2θ=35.2°、2θ=40.7°等處具有特征衍射峰；伊利石樣品在2θ=26.8°、2θ=30.1°、2θ=45.5°等處具有特征衍射峰，均與XRD標(biāo)準(zhǔn)卡片高度一致，表明蒙脫土、高嶺土、伊利石樣品純度較高。SEM圖表明蒙脫土、伊利石都呈現(xiàn)不規(guī)則薄片狀結(jié)構(gòu)，高嶺土為小顆粒片狀或棒狀結(jié)構(gòu)，相關(guān)形貌均有研究[13-15]。

圖3 蒙脫土、高嶺土、伊利石的XRD圖Fig.3 XRD images of montmorillonite,kaolinite and illite

將0.01 g蒙脫土、高嶺土、伊利石分別加入到濃度為0.1 mol/L的100 mL不同pH值的NaCl溶液中(pH值為2～9)，超聲混勻30 min，在Zeta電位儀上測(cè)出不同pH值下的電勢(shì)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，三種黏土礦物的Zeta電勢(shì)均隨著pH值的增大而逐漸降低。在所測(cè)pH值范圍內(nèi)蒙脫土和高嶺土的ζ值均為負(fù)值，并且所帶負(fù)電荷的量隨著pH值的增加而逐漸增加。 與蒙脫土和高嶺土不同，伊利石的等電點(diǎn)為pH值=3.5。 當(dāng)pH值<3.5時(shí)，伊利石表面帶正電荷；當(dāng)pH值>3.5時(shí)，伊利石表面帶負(fù)電荷。

圖4 蒙脫土、高嶺土、伊利石的SEM圖Fig.4 SEM images of montmorillonite,kaolinite and illite

圖5 蒙脫土、高嶺土、伊利石的Zeta電位圖Fig.5 Zeta potential of montmorillonite,kaolinite and illite

2.2 濃度對(duì)黏土礦物吸附的影響

圖6 蒙脫土、高嶺土、伊利石對(duì)的吸附等溫曲線圖Fig.6 Adsorption isotherm of onmontmorillonite,kaolinite and illite

(4)

qe=KFCe1/n

(5)

(6)

表1 黏土礦物對(duì)吸附等溫線的擬合結(jié)果Table 1 Fitting results on ion adsorption on clay minerals

圖7 蒙脫土、高嶺土、伊利石的立體結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Stereogram of montmorillonite,kaolinite and illite

2.3 解吸附實(shí)驗(yàn)

圖8 濃度對(duì)金屬鹽洗脫蒙脫土、高嶺土和伊利石表面的影響Fig.8 Effect of metals concentration on ion desorption from montmorillonite,kaolinite and illite

2.4 解吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

圖9 蒙脫土、高嶺土、伊利石解吸附動(dòng)力學(xué)曲線圖Fig.9 Desorption kinetic curves of montmorillonite,kaolinite and illite

qt=qt,0+qt,1(1-e-kt,1t)+qt,2(1-e-kt,2t)

(7)

式中：kt,1和kt,2為解吸附速率常數(shù)，min-1；qt解吸附量，mg/g；qt,0=0；qt,1和qt,2為不同動(dòng)力學(xué)步驟的解吸量，mg/g。

表2 蒙脫土、高嶺土、伊利石解吸附動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果Table 2 Desorption kinetic parameters onmontmorillonite,kaolinite and illite

3 結(jié) 論