CN112316895B - 稀土离子溶液中选择性去除铝离子的复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稀土离子溶液中选择性去除铝离子的复合材料及其制备方法。包括以下步骤:称取六水硝酸锌Zn(NO3)2·6H2O溶解于去离子水与乙二胺混合溶液中搅拌至完全溶解;称取硫脲(CN2H4S)溶解于所得溶液中搅拌至完全溶解;称取一定量的埃洛石加入到混合溶液中;将得到的混合悬浮液转入聚四氟乙烯内衬的反应釜,升温至目标温度保温一定时间,然后自然冷却至室温;采用离心机将反应产物进行离心分离,用去离子水和无水乙醇交替洗涤三次以上;洗涤后的产物置于真空干燥箱在一定温度条件下至样品完全干燥,研磨得到所述复合材料。采用简单一步水热法制备了纤锌矿和埃洛石复合材料;复合材料对混合离子溶液中铝离子展现出较好的吸附性能和较高的吸附选择性。
Description
技术领域
本发明属于矿物材料和稀土离子溶液除杂技术领域,具体涉及一种稀土离子溶液中选择性去除铝离子的复合材料及其制备方法。
背景技术
离子型稀土矿目前普遍采用的开采方法为原地浸矿,原地浸矿母液中主要的杂质离子为铝离子。目前有关母液中稀土与杂质铝离子分离主要采用的方法有:草酸沉淀法、碳酸氢铵沉淀法、溶剂萃取法、离子交换法、液膜分离法及微生物吸附法等,其中草酸有毒,碳酸氢铵易造成氨氮污染,对操作安全和环保带来巨大挑战。溶剂萃取法、离子交换法以及液膜分离法存在成本高及工艺复杂的问题。目前生产上主要采用草酸或者碳酸氢铵沉淀除杂,由于Al3+沉淀最佳pH范围较窄,并且与稀土离子沉淀pH范围存在重合,此方法虽能沉淀母液中大部分的Al3+,但易造成稀土损失,同时消耗大量的化学药剂,产生环境污染,并且由于沉淀粒度较细存在分离困难等问题。
吸附分离法是一种绿色、环保、高效的离子分离方法,前人关于溶液中铝离子吸附开发了一系列材料:粘土矿物、微生物菌种、活性炭、高分子吸附剂、离子印迹材料等。现有的材料一般在pH高于5的条件下吸附铝离子,在此pH条件下,铝离子大多以水解沉淀的方式去除,同时存在吸附能力低、选择性不高及吸附稳定性差等缺点。
发明内容
本发明针对上述稀土离子溶液中去除杂质铝离子方法存在的污染大、成本高、选择性低等不足,采用简单一步水热法制备出一种埃洛石与纤锌矿(ZnS)的复合吸附材料,其对稀土与铝离子混合溶液中铝离子展现出优异的吸附性能,同时具备选择性好、稳定性好、吸附速率高、成本低等优点。是一种具有广阔应用前景的稀土离子溶液中铝离子吸附材料。
为达到上述技术效果,本发明提供以下技术方案,具体步骤如下:
步骤一:称取六水硝酸锌Zn(NO3)2 .6H2O溶解于一定体积比例的去离子水与乙二胺混合溶液中,采用磁力搅拌器进行搅拌至完全溶解;
步骤二:称取硫脲(CN2H4S)溶解于步骤一所得溶液中,采用磁力搅拌器进行搅拌至完全溶解;
步骤三:称取一定量的埃洛石加入到步骤二的混合溶液中,混合搅拌一定时间,然后在超声波中分散一定时间形成均匀悬浮液;
步骤四:将步骤三得到的混合悬浮液转入聚四氟乙烯内衬的反应釜,升温至目标温度保温一定时间,然后自然冷却至室温;
步骤五:采用离心机将步骤三中的反应产物进行离心分离,用去离子水和无水乙醇交替洗涤三次以上;
步骤六:洗涤后的产物置于真空干燥箱在一定温度条件下至样品完全干燥,研磨得到所述复合材料。
按上述方案,六水硝酸锌与硫脲摩尔比为1:3~1:5。
按上述方案,去离子水与乙二胺体积比为1:1;
按上述方案,步骤三中所述的埃洛石质量与六水硝酸锌的质量比为5:6~10:3,搅拌一定时间30~60min,超声分散时间为30~60min;
按上述方案,步骤四中目标温度为180~210℃,保温时间18~24h;
按上述方案,步骤六中一定温度为80~100℃;
本发明的有益效果在于:(1)本发明以埃洛石纳米管为基底,采用简单一步水热法制备了纤锌矿和埃洛石复合材料,合成成本低且合成方法简单;(2)复合材料具有优良的吸附稳定性,吸附前后物相组成及形貌未发生明显变化(图7);(3)复合材料对混合离子溶液中铝离子展现出较好的吸附性能和较高的吸附选择性;本发明吸附稀土与铝离子混合溶液中铝离子工艺简单,性能稳定,工业化应用前景广阔。
附图说明
图1本发明基于实施例1条件所合成的复合材料的XRD图;
图2本发明基于实施例2条件所合成的复合材料的XRD图;
图3本发明基于实施例3条件所合成的复合材料的XRD图
图4本发明实施例3不同复合材料用量对铝离子吸附量及选择性系数的曲线图;
图5本发明实施例4不同吸附时间对铝离子吸附量及选择性系数的曲线图;
图6本发明实施例5不同pH条件下复合材料对铝离子吸附量及选择性系数的曲线图;
图7本发明所合成的复合材料吸附前后的XRD及SEM图;
具体实施方式
下面结合本发明的实施例和附图对本发明作进一步的阐述和说明,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
称取0.008mol六水硝酸锌溶解于32mL的去离子水与32mL乙二胺混合溶液中,采用磁力搅拌器进行搅拌至完全溶解;称取硫脲0.024mol加入混合溶液搅拌至完全溶解,称取4g埃洛石加入到混合溶液中,混合搅拌30min形成均匀悬浮液;将悬浮液置于超声波中分散30min,将混合悬浮液转入聚四氟乙烯内衬的反应釜,升温至180℃保温18h,然后自然冷却至室温;采用离心机将反应产物进行离心分离,用去离子水和无水乙醇交替洗涤产物三次以上;洗涤后的产物置于真空干燥箱在80℃条件下至样品完全干燥,研磨备用,代号ZnS@Hal。
图1为本实施例中合成ZnS@Hal复合材料的XRD图,由图可知,合成产物的XRD图上除了埃洛石基底的特征衍射峰外,还分别在2θ为28.6°、30.6°、39.5°、47.7°、52°和56.4°出现表征纤锌矿的特征衍射峰,表明纤锌矿与埃洛石复合成功。
实施例2
称取0.002mol六水硝酸锌溶解于16mL的去离子水与16mL乙二胺混合溶液中,采用磁力搅拌器进行搅拌至完全溶解;称取0.006mol硫脲加入混合溶液搅拌至完全溶解,称取2g埃洛石加入到混合溶液中,混合搅拌30min形成均匀悬浮液;将悬浮液置于超声波中分散30min,将混合悬浮液转入聚四氟乙烯内衬的反应釜,升温至180℃保温18h,然后自然冷却至室温;采用离心机将反应产物进行离心分离,用去离子水和无水乙醇交替洗涤产物三次以上;洗涤后的产物置于真空干燥箱在80℃条件下至样品完全干燥,研磨备用,代号记为ZnS0.5@Hal。调整六水硝酸锌用量为0.008mol,硫脲为0.024mol,采用上述方法合成复合材料,代号记为ZnS2@Hal。图2为本实施例中合成不同ZnS负载比例复合材料的XRD图,结果表明,硫化锌与埃洛石复合成功,随着ZnS负载量增加,复合材料中ZnS的特征衍射峰明显增强。
实施例3
称取0.002mol六水硝酸锌溶解于16mL的去离子水与16mL乙二胺混合溶液中,采用磁力搅拌器进行搅拌至完全溶解;称取0.01mol硫脲加入混合溶液搅拌至完全溶解,称取2g埃洛石加入到混合溶液中,混合搅拌30min形成均匀悬浮液;将悬浮液置于超声波中分散30min,将混合悬浮液转入聚四氟乙烯内衬的反应釜,升温至210℃保温24h;后续洗涤干燥方法同实施例2,制备的样品代号记为ZnS2@Hal-210。
图3为本实施例中在210℃水热反应条件下合成制备复合材料的XRD图,结果表明,硫化锌与埃洛石复合成功。与180℃条件下相比,水热反应温度升高,时间增加,得到的复合材料晶型依然可以保持稳定。
实施例4
在5组Er3+和Al3+浓度分别为100mg/L、pH为4.0、体积为50mL的溶液中分别加入0.1g、0.15g、0.2g、0.25g、0.3g复合材料样品,将其置于水浴振荡器上振荡60min后取下,采用离心机进行固液分离,获得上清液和固体样品,采用ICP对上清液中Er3+和Al3+浓度进行检测,得到Er3+和Al3+浓度,采用残余法计算不同复合材料用量对Er3+和Al3+的吸附量及选择性系数。
图4为本实施例中不同用量的复合材料对Er3+和Al3+吸附量及选择性系数的曲线图,由图可知,复合材料用量为2、3、4、5、6g/L时,对Al3+的吸附率分别为35.73%、55.63%、61.12%、74.72%、90.91%,吸附量分别为20.92、22.27、18.35、17.95、17.74mg/g。随着复合材料用量增加,对Al3+和Er3+吸附率均逐渐增加,吸附量先增大后减小。当复合材料用量为3g/L时,Al3+吸附量达到22.27mg/g,Er3+吸附量为0.93mg/g,选择性系数为46.75。当复合材料用量为6g/L时,选择性系数达到237.16.
实施例5
在6组Al3+和Er3+浓度分别为100mg/L、pH为4.0、体积为50mL的混合溶液中分别加入0.2g ZnS@Hal样品,将其置于磁力搅拌器上分别搅拌5min、10min、20min、40min、60min、90min、120min后取下,采用离心机进行固液分离,获得上清液和固体样品,采用ICP对上清液中Al3+和Er3+浓度进行检测,得到Al3+和Er3+浓度,采用残余法计算不同搅拌时间对Al3+和Er3+的吸附量及选择性系数。
图5为本实施例中不同搅拌时间ZnS@Hal对Al3+和Er3+的吸附量及选择性系数,由图可知,搅拌时间为5min、10min、20min、40min、60min、90min、120min时,对Al3+和Er3+的去除率分别为52.73%和2.89%、65.38%和3.22%、82.25%和3.45%、82.19%和5.25%、61.12%和2.80%、53.63%和2.73%、69.79%和6.03%。随着搅拌时间的增加,ZnS@Hal对Al3+和Er3+去除率和吸附量均先增大后降低,在40min达到吸附平衡。在20min即达到最大的吸附量19.63mg/g,选择性系数高达129.46。表明ZnS@Hal对Al3+和Er3+混合溶液中Al3+展现出较快的吸附速率及较高的选择性。
实施例6
在6组Al3+和Er3+浓度分别为100mg/L、体积为50mL的溶液中加入少量稀硫酸或氢氧化钠溶液,将pH分别调至为2、2.5、3、3.5、4,再分别加入0.2g ZnS@Hal样品,将其置于水浴恒温振荡器上分别振荡60min后取下,采用离心机进行固液分离,获得上清液和固体样品,采用ICP对上清液中Al3+和Er3+进行检测,得到Al3+和Er3+浓度,采用残余法计算不同pH条件下ZnS@Hal对Al3+和Er3+的吸附量及选择性系数。
图6为本实施例中不同pH条件下ZnS@Hal对Al3+和Er3+去除率的曲线图,由图可知,pH为2、2.5、3、3.5、4时,对Al3+和Er3+的去除率分别为2.97%和1.81%、2.92%和1.35%、32.74%和2.54%、44.07%和4.29%、61.12%和2.80%,随着pH升高,ZnS@Hal对Al3+的去除率逐渐增大,在pH为4.0时吸附量达到18.35mg/g,选择性系数达到54.59。由于pH>4.3,溶液中Al3+逐渐沉淀,因此最优吸附pH为4.0。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种稀土离子溶液中选择性去除铝离子的复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:称取六水硝酸锌Zn(NO3)2 .6H2O溶解于一定体积比例的去离子水与乙二胺混合溶液中,搅拌至完全溶解;
步骤二:称取硫脲(CN2H4S)溶解于步骤一所得溶液中,搅拌至完全溶解;
步骤三:称取一定量的埃洛石加入到步骤二的混合溶液中,混合搅拌一定时间,然后在超声波中分散一定时间形成均匀悬浮液;
步骤四:将步骤三得到的混合悬浮液转入聚四氟乙烯内衬的反应釜,升温至目标温度保温一定时间,然后自然冷却至室温;
步骤五:采用离心机将步骤三中的反应产物进行离心分离,用去离子水和无水乙醇交替洗涤三次以上;
步骤六:洗涤后的产物置于真空干燥箱在一定温度条件下至样品完全干燥,研磨得到所述复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,六水硝酸锌与硫脲摩尔比为1:3~1:5。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,去离子水与乙二胺体积比为1:1。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤三中所述的埃洛石质量与六水硝酸锌的质量比为5:6~10:3。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤三中搅拌一定时间为30~60min,超声分散时间为30~60min。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤四中目标温度为180~210℃,保温时间18~24h。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤六中一定温度为80~100℃。
8.根据权利要求1-7任一所述制备方法获得的稀土离子溶液中选择性去除铝离子的复合材料。
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GR01 | Patent grant | ||
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