風化殼淋積型稀土礦中主要礦物對的吸附行為和機理研究

汪 榮,余軍霞,李小菊,康睿嫻,黎俊峰,李 菲,池汝安

(武漢工程大學化學與環境工程學院 綠色化工過程教育部重點實驗室,湖北 武漢 430205)

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

高嶺土、蒙脫土,國藥集團化學試劑有限公司;埃洛石,古丈縣山麟石語礦產品有限公司;伊利石、石英、云母、長石,靈壽縣德航礦產品有限公司。

酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、碘化汞、碘化鉀、硫酸銨、氯化鉀等均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

UP-200B型恒溫振蕩器,上海優普實業有限公司;A390型紫外可見分光光度計,上海翱藝儀器有限公司。

1.2 等溫吸附實驗

(1)

1.3 競爭吸附實驗

1.4 吸附動力學實驗

(2)

1.5 pH 值對吸附的影響

2 結果與討論

2.1 稀土礦的XRD分析(圖1)

圖1 稀土礦的XRD圖譜Fig.1 XRD spectra of rare earth ore

由圖1可知,稀土礦在2θ為19.7°、29.6°處出現了蒙脫土的特征衍射峰;在2θ為8.7°、26.7°、35.0°、38.1°、54.7°處出現了埃洛石的特征衍射峰;在2θ為35.0°、50.1°、68.3°處出現了伊利石的特征衍射峰;在2θ為12.3°、24.8°、38.4°、39.9°、40.2°、42.3°、45.4°處出現了高嶺土的特征衍射峰;在2θ為20.8°、50.6°處出現了石英的特征衍射峰;在2θ為8.7°、60.0°處出現了云母的特征衍射峰;在2θ為25.5°、32.1°、62.4°處出現了長石的特征衍射峰。表明該稀土礦由粘土礦物(蒙脫土、埃洛石、伊利石、高嶺土)、造巖礦物(云母、長石)、石英等成分組成。

2.2 吸附熱力學

圖2 蒙脫土(a)、埃洛石(b)、伊利石(c)、高嶺土(d)、石英(e)、云母(f)、長石(g)、稀土礦(h)對的等溫吸附擬合曲線Fig.2 Isothermal adsorption fitting curve for adsorption of on montmorillonite(a),halloysite(b),illite(c),kaolinite(d),quartz(e),mica(f),albite(g),and rare earth ore(h)

表1 不同礦物對的等溫吸附模型擬合參數

(3)

(4)

(5)

蒙脫土、埃洛石、伊利石、高嶺土、石英、云母及長石的晶體結構如圖3所示。

圖3 蒙脫土(a)、埃洛石(b)、伊利石(c)、高嶺土(d)、石英(e)、云母(f)及長石(g)的晶體結構Fig.3 Crystal structures of montmorillonite(a),halloysite(b),illite(c),kaolinite(d),quartz(e),mica(f),and albite(g)

云母是一種由堿金屬和堿土金屬結合而成的水鋁硅酸鹽礦物,云母類礦物分布廣泛,是常見的主要造巖礦物,其晶體結構由硅氧四面體(T)與鋁氧八面體(O)以T-O-T方式相間分布構成,層間主要填充K+和Na+等堿金屬陽離子,屬于典型的2∶1型層狀鋁硅酸鹽結構(圖3f),常見的四面體陽離子是Si4+、Al3+和Fe3+,八面體陽離子通常是Al3+、Fe3+、Mg2+和Fe2+。由于硅酸鹽晶體層間發生的同晶置換作用以及晶格中的空穴等因素影響,云母晶體表面產生了結構性負電荷,因而具有一定的陽離子交換容量。

圖4 在蒙脫土與埃洛石(a)、蒙脫土與伊利石(b)、蒙脫土與高嶺土(c)、埃洛石與伊利石(d)、埃洛石與高嶺土(e)、伊利石與高嶺土(f)雙組分體系中的競爭吸附Fig.4 Competitive adsorption of in two component systems of montmorillonite and halloysite(a),montmorillonite and illite(b),montmorillonite and kaolinite(c),halloysite and illite(d),halloysite and kaolinite(e),illite and kaolinite(f)

2.3 吸附動力學

圖5 石英、云母、長石對的吸附動力學曲線Fig.5 Kinetic curves for adsorption of on quartz,mica,and albite

為了探究吸附機理,采用準一級動力學方程(式6)、準二級動力學方程(式7)和顆粒內擴散方程(式8)對實驗數據進行擬合,結果見表2。

表2 不同礦物對的吸附動力學方程擬合參數

qt=qe(1-e-k1t)

(6)

(7)

qt=Kpt1/2+C

(8)

式中:qt為t(min) 時刻的吸附量,mg·g-1;k1為準一級動力學吸附速率常數,min-1;k2為準二級動力學吸附速率常數,g·mg-1·min-1;Kp為顆粒內擴散吸附速率常數,min-1/2;C為擴散邊界層相關常數,mg·g-1。

2.4 pH值對不同礦物吸附的影響(圖6)

圖6 pH值對不同礦物吸附的影響Fig.6 Effect of pH value on adsorption of on different minerals

3 結論