原位固化青岡櫟單寧材料對Nd³⁺吸附性能研究

姜英

摘要：本實驗以原位固化青岡櫟單寧為主要原料，研究在不同條件下該材料對Nd3+吸附性能的最佳條件。試驗結(jié)果表明：當(dāng)Nd3+初始濃度為5 mmol/L時，在溫度為40℃，pH為4.5，振蕩時間為4h的最佳條件下，Nd3+吸附率達(dá)到68.54%。

關(guān)鍵詞：原位固化青岡櫟單寧；Nd3+；吸附性能；最佳條件

我國稀土資源的開發(fā)和冶煉過程中，由于監(jiān)管不力、非法開采以及選礦、萃取分離方式粗放，工藝落后、技術(shù)不夠純良，導(dǎo)致了稀土離子隨意排放到水體，重金屬等離子隨意排放到土壤，造成了巨大的浪費，還會對水域、土壤和人類生活帶來不同程度的危害[1-5]。所以，我們需要尋找更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)、更簡易、更精良的方法和技術(shù)來提高稀土的重復(fù)利用率，避免稀土資源的浪費和環(huán)境污染[6]。水體金屬離子可以選擇天然物質(zhì)作為吸附材料對其進(jìn)行吸附，比如甲殼素、農(nóng)業(yè)固體廢棄物以及微生物等，這為稀土重金屬離子的富積和分離提供了可借鑒的科學(xué)方法和實踐理論[7]。

本實驗用原位固化青岡櫟單寧作為吸附材料，設(shè)置不同的吸附條件，對稀土離子Nd3、進(jìn)行吸附，通過測定剩余離子濃度，得到吸附率，從而找到吸附的最佳條件，研究原位固化青岡櫟單寧對Nd3+的吸附特性，為后續(xù)研究稀土重復(fù)利用工作做準(zhǔn)備。

1 實驗

1.1材料、設(shè)備和方法

取適量優(yōu)質(zhì)青岡櫟樹皮磨成粉（100目）待用。Nd2O3、丙酮、甲醛、濃硫酸等。電子天平、紫外分光光度計、研缽、80目篩網(wǎng)、烘箱、水浴恒溫振蕩器等。分析方法：紫外分光光度法。用高氯酸加熱消解制備單一的Nd3+溶液有其特征顏色，不加任何顯色劑即可在最大吸收波長下（794.5 nm）測定溶液濃度和繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2實驗方法

1.2.1原位固化青岡櫟單寧吸附材料的制備

青岡櫟樹皮粉末與甲醛溶液在20℃下反應(yīng)12 h后，加入濃度為1 mol/L的稀硫酸溶液，然后在50℃下恒溫反應(yīng)4h，制得吸附材料。

1.2.2 pH對對Nd3+吸附的影響

取原位固化青岡櫟單寧材料5份（每份0.5 g）分別加入到5份濃度為5 mmol/L的100 mL的Nd3+溶液中，將稀土離子溶液的pH分別調(diào)至3.5，4.0，4.5，5.0，5.5。在溶液溫度為30℃下振蕩加熱4h，抽濾，將濾液定容至250 mL，測定吸附后剩余濾液濃度。根據(jù)吸附前后濃度的變化，計算吸附率。

1.2.3溫度對Nd3+吸附的影響

方法同上，溫度分別為：常溫，20℃，30℃，40℃，50℃，尋找吸附最佳溫度。

1.2.4振蕩時間對Nd3+吸附的影響

方法同上，振蕩時間分別為1h，2h，3h，4h，5h，尋找吸附最佳振蕩時間。

1.2.5吸附平衡

取原位固化青岡櫟單寧5份（每份0.5g）分別將其加入100 mL濃度分別為1mmol/L，2mmol/L，3mmol/L，4mmol/L，5mmol/L，6mmol/L的Nd3+溶液中進(jìn)行吸附平衡試驗，尋找吸附最佳吸附平衡。

2 結(jié)果與討論

2.1原位固化青岡櫟單寧吸附材料的制備

青岡櫟樹皮中所含單寧為縮合類單寧，縮合單寧與甲醛具有高反應(yīng)活性，反應(yīng)是發(fā)生在縮合單寧苯環(huán)上的親電取代反應(yīng)，以甲醛為交聯(lián)劑，從而實現(xiàn)青岡櫟單寧的原位固化。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，青岡櫟樹皮粉末與甲醛溶液在20℃下反應(yīng)12 h后，加入濃度為1 mol/L的稀硫酸溶液，然后在50℃下恒溫反應(yīng)4h，制備出吸附材料。

2.2 pH對吸附反應(yīng)的影響

由圖1可知，pH對原位固化青岡櫟單寧吸附Nd3+有較大的影響，當(dāng)pH為4.5時，剩余Nd3+的吸光度的值最小，則此時單寧對Nd3+的吸附量最大，吸附率達(dá)到33.56%。青岡櫟單寧吸附Nd3+，形成螯合物的過程是一個可逆過程。當(dāng)pH較小時，單寧分子中多酚羥基的電離受到抑制，使吸附率減小；當(dāng)pH較大時，溶液中H+減少，則多酚羥基H易電離，不利于Nd3+的螯合，使吸附率減小。

2.3溫度對吸附反應(yīng)的影響

由圖2可知，溫度對原位固化青岡櫟單寧吸附Nd3+也有較大的影響，當(dāng)溫度在30～40℃時，吸附率變化不大，當(dāng)溫度為40℃時，吸附率達(dá)到最大值60.14%，當(dāng)溫度過高時，原位固化青岡櫟單寧材料失去活性，螯合過程受到影響，此時吸附主要表現(xiàn)為物理吸附，使吸附率減小。

2.4振蕩時間對吸附反應(yīng)的影響

由圖3可知，相較于pH、溫度對青岡櫟單寧吸附Nd3+的影響，震蕩時間對青岡櫟單寧吸附Nd3+的影響較小，當(dāng)震蕩時間為1h時，震蕩時間較短，單寧與Nd3+的螯合過程沒充分完成，還有一部分物理吸附，隨著時間的延長，吸附率越來越大，4h時，達(dá)到充分反應(yīng)，吸附率達(dá)到最大值68.54%。

2.5吸附平衡

由圖4可知，當(dāng)Nd3+濃度在1～3 mmol/L時，原位固化青岡櫟單寧材料過量，可以充分吸附Nd3+，吸附率較高，但是會導(dǎo)致原位固化青岡櫟單寧材料大量的浪費。當(dāng)Nd3+濃度在5 mmol/L時，吸附量達(dá)到最大值68.54%，吸附達(dá)到平衡。當(dāng)Nd3+濃度過大，則逆向反應(yīng)，影響吸附率。

3 結(jié)語

樹皮粉末1g與100 mL的7.4%甲醛溶液在20℃下反應(yīng)12 h，加入50 mL濃度為l mol/L的稀硫酸溶液，升溫至50℃反應(yīng)4h后達(dá)到最大固化量。粉末與100 mL的7.4%甲醛溶液在20℃下反應(yīng)12 h，加入50 mL濃度為lmol/L的稀硫酸溶液，升溫至50℃反應(yīng)4h后達(dá)到最大固化量。

青岡櫟單寧吸附Nd3+過程中，pH、溫度對青岡櫟單寧吸附Nd3+的影響較大，相較而言，震蕩時間對青岡櫟單寧吸附Nd3+的影響較小。Nd3+濃度取5 mmol/L，稀土離子溶液的pH調(diào)至4.5，溫度在40℃，震蕩時間為4h時的吸附率最大，吸附率為68.54%，吸附效率最好。

[參考文獻(xiàn)]

[1]童培杰，廖洋，李瑞楨，等.原位固化黑荊樹單寧對La3+、Pr3+、Nd3+的吸附特性[J].稀有金屬材料與工程，2011，40（2）：269-274.

[2]李徐堅.坡縷石基新型吸附材料的制備及其對稀土離子的吸附性能研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2016.

[3]金妹蘭，黃益宗.稀土元素對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響研究進(jìn)展[J].生態(tài)報，2013，33 （16）：4836-4845.

[4]宋文飛，李國平，韓先鋒.稀土定價權(quán)缺失、理論機(jī)理及制度解釋[J].中國工業(yè)經(jīng)濟(jì)，2011（10）：46-55.

[5]羅序燕，祝婷，夏勇，等.羧甲基殼聚糖對Nd3+的吸附性能[J].材料保護(hù)，2016，49（7）：83-85，8.

[6]黃石嘉，李鐵華，彭穎姝，等.施肥對青岡櫟幼苗生長與光合作用的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2018 （1）：99-105.

[7]童培杰，廖洋，毛焱，等.原位固化楊梅單寧對Nd3+的吸附特性研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2010，30 （3）：13-18.