黏土礦物對風化殼淋積型稀土礦浸礦劑中的吸附和脫附特性研究

黃書鑫，馮 健，劉杰泉，余軍霞，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 430073)

風化殼淋積型稀土礦因其富含極具開采價值的中重稀土元素而受到了國內外的廣泛關注[1]。工業上常采用銨鹽為浸礦劑通過原地浸出的方式浸出稀土[2-4]，但浸礦過程中大量殘留銨鹽的釋放會導致嚴重的環境污染，迫切需要治理[5-7]。

1 實 驗

1.1 實驗試劑與儀器

高嶺土、蒙脫土和伊利石分別購買于國藥集團化學試劑有限公司、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、無水氯化鈣、無水氯化鎂、六水合三氯化鐵、無水氯化鋁等，試劑純度均為分析純，購買于國藥集團化學試劑有限公司。

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

1.2 等溫吸附實驗

圖1 等溫吸附實驗流程圖Fig.1 Flow chart of isotherm adsorption experiment

(1)

式中：V為吸附溶液體積，mL；m為吸附劑質量，g。

1.3 解吸附實驗

圖2 解吸附實驗流程圖Fig.2 Flow chart of the desorption experiment

(2)

1.4 脫附動力學實驗

(3)

2 結果與討論

2.1 樣品表征

蒙脫土、高嶺土、伊利石樣品的XRD、SEM、Zeta電位分析結果如圖3～圖5所示。由XRD分析結果可知， 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標準卡片高度一致，表明蒙脫土、高嶺土、伊利石樣品純度較高。SEM圖表明蒙脫土、伊利石都呈現不規則薄片狀結構，高嶺土為小顆粒片狀或棒狀結構，相關形貌均有研究[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電位儀上測出不同pH值下的電勢，結果如圖5所示。由圖5可知，三種黏土礦物的Zeta電勢均隨著pH值的增大而逐漸降低。在所測pH值范圍內蒙脫土和高嶺土的ζ值均為負值，并且所帶負電荷的量隨著pH值的增加而逐漸增加。 與蒙脫土和高嶺土不同，伊利石的等電點為pH值=3.5。 當pH值<3.5時，伊利石表面帶正電荷；當pH值>3.5時，伊利石表面帶負電荷。

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 濃度對黏土礦物吸附的影響

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

(4)

qe=KFCe1/n

(5)

(6)

表1 黏土礦物對吸附等溫線的擬合結果Table 1 Fitting results on ion adsorption on clay minerals

圖7 蒙脫土、高嶺土、伊利石的立體結構圖Fig.7 Stereogram of montmorillonite,kaolinite and illite

2.3 解吸附實驗

圖8 濃度對金屬鹽洗脫蒙脫土、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 解吸附動力學實驗

圖9 蒙脫土、高嶺土、伊利石解吸附動力學曲線圖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，min-1；qt解吸附量，mg/g；qt,0=0；qt,1和qt,2為不同動力學步驟的解吸量，mg/g。

表2 蒙脫土、高嶺土、伊利石解吸附動力學擬合結果Table 2 Desorption kinetic parameters onmontmorillonite,kaolinite and illite

3 結 論