碳酸鑭的制備及其對磷酸根吸附性能的研究

李東旭，夏一凡，樊世隆，劉彥琳

(遼寧工業(yè)大學 化學與環(huán)境工程學院，遼寧 錦州 121001)

碳酸鑭是21世紀之后才發(fā)現(xiàn)的一種用于治療高磷血癥的新型藥物，它屬于非鋁、非鈣類磷結(jié)合劑[1]。它的磷結(jié)合能力等同于鋁劑制成的磷結(jié)合劑，但是不會對人體造成嚴重的危害。它的吸附原理是通過釋放出鑭離子與食物中的磷酸根結(jié)合，進而形成一種難溶的復(fù)合物，這種復(fù)合物會同糞便排出體外，不會在體內(nèi)積存。又因為碳酸鑭對磷也有很好的吸附能力，所以它是一種可長期使用的，對人體沒有明顯副作用的磷結(jié)合劑[2-4]。解佳燁[5]使用氯化鑭和碳酸鈉反應(yīng)制備碳酸鑭納米粒子，控制碳酸鑭中結(jié)合水的數(shù)量，研究了含有不用結(jié)合水的碳酸鑭對磷酸根吸附能力的差異。本論文制備碳酸鑭并考察其對磷酸根吸附性能。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗試劑及儀器設(shè)備

實驗藥品：氯化鑭、碳酸氫鈉、抗壞血酸、鉬酸銨、氫氧化鈉、鹽酸。實驗儀器：水浴恒溫振蕩器SHA-B(上海思而達科學儀器有限公司)、pH計PHS-3C(上海儀電分析儀器有限公司)、可見分光光度計722S(上海儀電分析儀器有限公司)、玻璃儀器(天津玻璃儀器廠)。

1.2 繪制磷酸根溶液標準曲線

配制磷酸鹽溶液，稀釋梯度濃度，測量吸光度，origin作圖擬合，得線性回歸方程A=0.0125C+0.0135，相關(guān)性R2=0.9972。

1.3 考察各個因素對吸附量的影響

在配制好的一定體積的磷酸鹽溶液中，分別加入一定量的碳酸鑭，調(diào)節(jié)pH、溫度和時間，然后放入25℃的恒溫振蕩器中振蕩12 h。最后利用鉬銻抗分光光度法測量吸光度，進而計算出磷溶液濃度。在此過程中，分別考察磷酸鹽初濃度、吸附pH值、吸附溫度和時間對吸附量的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附pH值對吸附量的影響

如圖1所示，溶液pH值在1～10范圍內(nèi)，吸附劑對溶液中的磷都有一定的吸附能力，但在不同的pH值條件下，吸附劑對磷的吸附量是不同的。在pH值為1～2時吸附量隨pH值的增加而增加。在pH值為2～10之間時，隨著pH值的增加吸附量逐漸減少。因而吸附最佳pH值為2。

圖1 吸附pH值對吸附量的影響

2.2 初始濃度對吸附量的影響

從圖2可知，磷初始濃度在15～95 μg/mL范圍內(nèi)，圖中曲線上升速率較快，吸附量迅速增大；當磷初始濃度增大到95 μg/mL時，曲線的斜率明顯降低，說明此時吸附量的增加幅度很小；當磷初始濃度繼續(xù)增加時，曲線幾乎不再上升，可以近似看成一條水平直線，說明此時已達到最大吸附量，即飽和吸附量為13980.33 μg/g。

圖2 初始濃度對吸附量的影響

2.3 吸附溫度對吸附量的影響

圖3中，這3組曲線均呈上升趨勢，說明對于不同濃度的磷酸根溶液，升高溫度，吸附量均會增加。從而得出結(jié)論：溫度越高，越有利于碳酸鑭對磷酸根的吸附。

圖3 吸附溫度對吸附量的影響

2.4 吸附時間對吸附量的影響

圖4 吸附時間對吸附量的影響

圖4表明吸附量整體隨時間的變化呈上升趨勢，吸附時間在0～100 min時，圖中曲線上升迅速，吸附量迅速增加，吸附速率較快；在100 min后，曲線斜率明顯降低，吸附量增加的緩慢。在270 min后，曲線接近為一條直線。

2.5 吸附等溫線研究

吸附等溫線能夠用來描述吸附質(zhì)在液體和吸附劑之間的分布，將實驗所得到的數(shù)據(jù)進行深入分析，能更好地對吸附機理進行探索來確定吸附過程。將圖2的數(shù)據(jù)分別代入(1)中采用Langmuir等溫模型(圖5所示)進行擬合和代入(2) Freundlich等溫模型(圖6所示)進行擬合。

(1)

(2)

從圖5 Langmuir等溫模型中可以看出，其相關(guān)系數(shù)R2為0.9971。這表明，用Langmuir吸附等溫線能很好的描述碳酸鑭對磷酸根的吸附過程。從而說明被吸附的磷酸根分子間沒有相互作用，為單分子層吸附。從圖6中可以看出，這些實驗數(shù)據(jù)點與擬合的Freundich吸附線有較大偏差，其相關(guān)度系數(shù)R2僅為0.8958。這說明，用Freundich吸附等溫線不能很好地描述碳酸鑭對磷酸根的吸附過程。由以上分析可知，碳酸鑭對磷酸根的吸附過程屬于單分子層吸附。

圖5 Langmuir等溫模型

圖6 Freundlich等溫模型

2.6 吸附動力學研究

為了描述碳酸鑭和磷酸根之間相互作用的反應(yīng)級數(shù)和碳酸鑭吸附過程的控制機理，將相關(guān)數(shù)據(jù)分別代入偽一級動力學方程和偽二級動力學方程進行計算。將圖4的數(shù)據(jù)帶入(3)中得到一系列數(shù)據(jù)點進行線性擬合得到偽一級動力學方程(圖7)；將圖4的數(shù)據(jù)代入式(4)中得到數(shù)據(jù)點進行線性擬合得到偽二級動力學方程(圖8)。通過以上擬合分析分析所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)被列于表1。

(3)

圖7 偽一級動力學方程

通過圖7和圖8可以看出，偽二級動力學模型更加適宜描述碳酸鑭吸附磷酸根的吸附動力學。由表1動力學模型擬合的相關(guān)系數(shù)可以看出，偽一級動力學線性擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2為0.9488，線性相關(guān)性一般；偽二級動力學方程的線性擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2為0.9997大于0.999，線性相關(guān)性較好，說明化學吸附是決速步驟；綜上所述，偽二級動力學方程可以很好的反映碳酸鑭對磷酸根的動力學吸附過程。

圖8 偽二級動力學方程

表1 動力學模型擬合相關(guān)參數(shù)

3 結(jié)論

(1)在選定的pH值范圍1～10內(nèi)，碳酸鑭吸附劑對磷酸根都有吸附效果，當pH值為2時，吸附效果最好。吸附劑在pH值為2，磷溶液濃度為95 μg/mL時的最大吸附量為13980.33 μg/g。

(2)通過計算結(jié)果表明吸附等溫方程符合Langmuir吸附等溫方程，說明吸附為單分子層吸附；動力學方程符合偽二級動力學方程，說明化學吸附為決速步驟。