黏土矿物对风化壳淋积型稀土矿浸矿剂中的吸附和脱附特性研究

黄书鑫，冯 健，刘杰泉，余军霞，池汝安

(武汉工程大学化学与环境工程学院绿色化工过程教育部重点实验室，湖北 武汉 430073)

风化壳淋积型稀土矿因其富含极具开采价值的中重稀土元素而受到了国内外的广泛关注[1]。工业上常采用铵盐为浸矿剂通过原地浸出的方式浸出稀土[2-4]，但浸矿过程中大量残留铵盐的释放会导致严重的环境污染，迫切需要治理[5-7]。

1 实 验

1.1 实验试剂与仪器

高岭土、蒙脱土和伊利石分别购买于国药集团化学试剂有限公司、阿拉丁试剂有限公司和鼎华科技有限公司。碘化钾、碘化汞、氢氧化钠、硫酸铵、氯化钠、氯化钾、无水氯化钙、无水氯化镁、六水合三氯化铁、无水氯化铝等，试剂纯度均为分析纯，购买于国药集团化学试剂有限公司。

ME204E/02电子分析天平产于梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司，TG16-II高速离心机产于湖南平凡科技有限公司，UP-850恒温培养振荡器产于上海优普实业有限公司，DZF-6050MBZ真空干燥箱产于上海博迅医疗生物仪器股份有限公司，SmartN15UV纯水仪产于力康生物科技(香港)控股有限公司，A390紫外可见分光光度计产于翱艺仪器(上海)有限公司。

1.2 等温吸附实验

图1 等温吸附实验流程图Fig.1 Flow chart of isotherm adsorption experiment

(1)

式中：V为吸附溶液体积，mL；m为吸附剂质量，g。

1.3 解吸附实验

图2 解吸附实验流程图Fig.2 Flow chart of the desorption experiment

(2)

1.4 脱附动力学实验

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2 结果与讨论

2.1 样品表征

蒙脱土、高岭土、伊利石样品的XRD、SEM、Zeta电位分析结果如图3～图5所示。由XRD分析结果可知， 蒙脱土样品在2θ=17.8°、 2θ=26.8°、2θ=39.6°等处具有特征衍射峰；高岭土样品在2θ=26.1°、2θ=35.2°、2θ=40.7°等处具有特征衍射峰；伊利石样品在2θ=26.8°、2θ=30.1°、2θ=45.5°等处具有特征衍射峰，均与XRD标准卡片高度一致，表明蒙脱土、高岭土、伊利石样品纯度较高。SEM图表明蒙脱土、伊利石都呈现不规则薄片状结构，高岭土为小颗粒片状或棒状结构，相关形貌均有研究[13-15]。

图3 蒙脱土、高岭土、伊利石的XRD图Fig.3 XRD images of montmorillonite,kaolinite and illite

将0.01 g蒙脱土、高岭土、伊利石分别加入到浓度为0.1 mol/L的100 mL不同pH值的NaCl溶液中(pH值为2～9)，超声混匀30 min，在Zeta电位仪上测出不同pH值下的电势，结果如图5所示。由图5可知，三种黏土矿物的Zeta电势均随着pH值的增大而逐渐降低。在所测pH值范围内蒙脱土和高岭土的ζ值均为负值，并且所带负电荷的量随着pH值的增加而逐渐增加。 与蒙脱土和高岭土不同，伊利石的等电点为pH值=3.5。 当pH值<3.5时，伊利石表面带正电荷；当pH值>3.5时，伊利石表面带负电荷。

图4 蒙脱土、高岭土、伊利石的SEM图Fig.4 SEM images of montmorillonite,kaolinite and illite

图5 蒙脱土、高岭土、伊利石的Zeta电位图Fig.5 Zeta potential of montmorillonite,kaolinite and illite

2.2 浓度对黏土矿物吸附的影响

图6 蒙脱土、高岭土、伊利石对的吸附等温曲线图Fig.6 Adsorption isotherm of onmontmorillonite,kaolinite and illite

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qe=KFCe1/n

(5)

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表1 黏土矿物对吸附等温线的拟合结果Table 1 Fitting results on ion adsorption on clay minerals

图7 蒙脱土、高岭土、伊利石的立体结构图Fig.7 Stereogram of montmorillonite,kaolinite and illite

2.3 解吸附实验

图8 浓度对金属盐洗脱蒙脱土、高岭土和伊利石表面的影响Fig.8 Effect of metals concentration on ion desorption from montmorillonite,kaolinite and illite

2.4 解吸附动力学实验

图9 蒙脱土、高岭土、伊利石解吸附动力学曲线图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为解吸附速率常数，min-1；qt解吸附量，mg/g；qt,0=0；qt,1和qt,2为不同动力学步骤的解吸量，mg/g。

表2 蒙脱土、高岭土、伊利石解吸附动力学拟合结果Table 2 Desorption kinetic parameters onmontmorillonite,kaolinite and illite

3 结 论