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        頭發(fā)基炭材料的合成及其對稀土中Fe(III)的選擇性去除性能

        2019-02-13 07:19:40王勇李鵠飛安富強
        應用化工 2019年1期
        關鍵詞:含氮官能團等溫

        王勇,李鵠飛,安富強

        (中北大學 理學院,山西 太原 030051)

        稀土作為一種重要的戰(zhàn)略資源,被廣泛應用于多種領域。如何有效去除稀土中的非稀土雜質成為目前的研究熱點[1-3]。目前最多的去除方法為溶劑萃取法、離子交換法、吸附法等[4-7]。溶劑萃取法使用的有機相易對環(huán)境造成污染[8];離子交換法生產周期長,處理量小,無法實現(xiàn)工業(yè)生產[9-10];吸附法因其成本低,吸附效率高,吸附劑可重復使用性,而被廣泛采用[11-12]。

        多孔活性炭因其具有發(fā)達的孔道結構、巨大的比表面、大量的含氮官能團、優(yōu)良的吸附性能等特點,成為一種被廣泛使用的吸附劑[13-19]。

        頭發(fā)具有多孔性,且來源廣泛。本研究以頭發(fā)為原料,炭化制得含氮炭材料,對其孔結構和表面官能團進行表征,并研究其對La(III)中Fe(III)的識別選擇性與去除性能,以期為去除稀土中的Fe雜質,制備高純稀土提供支持。

        1 實驗部分

        1.1 試劑與儀器

        氫氧化鉀、六水合硝酸鑭、三氯化鐵均為分析純。

        THZ-82型恒溫振蕩器;4800S型紅外光譜儀;BF-JW132型靜態(tài)氮吸附儀;Prodigy全譜直讀ICP發(fā)射光譜儀;Vario EL型元素分析儀。

        1.2 炭材料的制備

        將頭發(fā)用蒸餾水清洗干凈并干燥。取5 g頭發(fā)與10 g氫氧化鉀混合,加入蒸餾水,使氫氧化鉀溶解,靜置活化36 h。將活化的頭發(fā)置于密閉炭化爐中,在氮氣氛圍下以2 ℃/min升溫至200 ℃,并保溫2 h,再從200 ℃以2 ℃/min升溫至600 ℃,焙燒2 h。冷卻至室溫,用蒸餾水洗滌至中性,真空干燥20 h,即得頭發(fā)基活性炭,AC-H-600。進行紅外光譜測試、靜態(tài)氮吸附測試、元素分析。

        1.3 靜態(tài)吸附實驗

        1.3.1 吸附性能研究 在具塞錐形瓶中加入0.01 g AC-H-600和20 mL鐵離子溶液(40 mg/L,pH值2.5),放入恒溫振蕩器中振蕩。測量溶液中鐵離子的濃度,按式(1)計算AC-H-600對鐵離子的吸附容量(Q,mg/g)、去除率(R)。

        Q=V(C0-Ct)/m

        (1)

        R=(C0-Ce)/C0×100%

        (2)

        式中V——被吸附鐵離子溶液的體積,L;

        C0——鐵離子的初始濃度,mg/L;

        Ct——鐵離子t時刻的濃度,mg/L;

        m——所用 AC-H-600的質量,g;

        R——AC-H-600對Fe(III)離子的去除率,%;

        Ce——吸附平衡后鐵離子的濃度,mg/L。

        1.3.2 競爭吸附實驗 配制Fe(III)與La(III)混合溶液,濃度分別為100,40 mg/L,調節(jié)pH為2.5。進行靜態(tài)吸附實驗,吸附平衡后計算AC-H-600對各離子的吸附容量,根據(jù)公式(3)計算AC-H-600對Fe(III)和La(III)的分配系數(shù)Kd,根據(jù)公式(4)計算AC-H-600對Fe(III)的選擇性系數(shù)k。

        Kd=Qe/Ce

        (3)

        k=Kd(Fe)/Kd(La)

        (4)

        2 結果與討論

        2.1 材料表征

        2.1.1 表面性質 圖1、圖2分別是AC-H-600的N2吸附-脫附曲線以及孔容-孔徑微分分布曲線,相關參數(shù)列于表1。

        由圖1可知,AC-H-600的吸附-脫附曲線為Ⅱ型等溫線,而且還具有一個H3型的滯后回線,表明在AC-H-600中存在大量中孔結構,且分布范圍較廣。

        圖2 孔容-孔徑微分分布曲線Fig.2 Pore volume-pore size distribution curves

        由圖2可知,孔容-孔徑微分分布曲線多處有峰,說明所制備炭材料的孔分布不均。

        表1 孔結構分析Table 1 The pore structure analysis

        由表1可知,AC-H-600含有較為發(fā)達的孔道結構和豐富的含氮官能團,借此可有效吸附鐵離子。

        2.1.2 紅外光譜分析 圖3為活性炭AC-H-600的紅外譜圖。

        圖3 紅外譜圖Fig.3 IR spectra

        由圖3可知,1 540 cm-1為N—H鍵變形振動峰,3 430 cm-1為N—H鍵伸縮振動吸收峰,表明頭發(fā)在活化炭化后含有胺基官能團。

        2.2 吸附動力學

        圖4為AC-H-600對Fe(III)和La(III)的動力學曲線。

        圖4 吸附動力學曲線(T=25 ℃,pH=2.5)Fig.4 Adsorption kinetics curves

        由圖4可知,AC-H-600對Fe(III)和La(III)表現(xiàn)出了不同的吸附行為。AC-H-600對Fe(III)的吸附較快,在30 min就達到平衡,吸附容量達到15.6 mg/g,而對La(III)的吸附130 min才達到平衡,且吸附容量僅有6.8 mg/g,說明AC-H-600對Fe(III)表現(xiàn)出更為良好的吸附能力。這是由于稀土離子外層電子的特殊性,使得其與N原子的配位能力比較弱導致的。

        采用一級動力學(式5)、二級動力學(式6)和顆粒內擴散模型(式7)[20]對數(shù)據(jù)進行擬合,結果見表2。

        ln(Qe,1-Qe)=lnQe,1-k1t

        (5)

        (6)

        Qt=kidt1/2+C

        (7)

        式中Qt——t時刻的吸附量,mg/g;

        Qe——平衡吸附量,mg/g;

        k1,k2——和吸附速率有關的常數(shù);

        kid——傳質擴散速率。

        表2 動力學擬合參數(shù)Table 2 Kinetic parameters of kinetic fitting

        由表2可知,AC-H-600對于Fe(III)和La(III)的吸附符合二階動力學模型,說明AC-H-600對于Fe(III)和La(III)的吸附主要與吸附劑的用量和溶液的濃度有關。

        2.3 等溫吸附線

        圖5為AC-H-600對Fe(III)的等溫吸附線。采用Langmuir(式8)、Freundlich(式9)[20]吸附等溫模型進行擬合,結果見表3。

        Ce/Qe=Ce/Q0+1/(KQ0)

        (8)

        lnQe=lnk+(1/n)lnCe

        (9)

        式中Q0——最大吸附量,mg/g;

        K——Langmuir 常數(shù);

        k,n——與吸附能力有關的常數(shù)。

        圖5 AC-H-600對Fe(III)的等溫吸附線(T=25 ℃,pH=2.5)Fig.5 Adsorption isotherm of AC-H-600 towards Fe(III)

        由表3可知,兩種吸附等溫模型擬合的R2均接近1,說明AC-H-600對兩種金屬離子的吸附屬于單分子層的化學吸附。

        表3 Langmuir和Freundlich吸附等溫模型擬合參數(shù)及相關系數(shù)Table 3 Fitting parameters and correlation coefficients ofLangmuir and Freundlich equation

        2.4 溫度和pH對吸附性能的影響

        圖6和圖7分別表示不同溫度、pH的吸附曲線。

        圖6 溫度對吸附量的影響(pH=2.5)Fig.6 Effect of temperature on adsorption capacity

        由圖6可知,AC-H-600對Fe(III)和La(III)的吸附容量隨溫度的升高而增大,表明這是一個吸熱過程,升高溫度有利于吸附的進行。也可以證明,金屬離子與含氮官能團之間的配位作用是吸附的主要驅動力。

        圖7 pH對吸附容量的影響(T=25 ℃)Fig.7 Effect of pH on adsorption capacity

        由圖7可知,pH對吸附劑性能有顯著的影響,吸附容量隨pH的增大而增大。在較低的pH值時,由于H+與吸附質之間的競爭效應,導致H+占據(jù)了活性炭中的一部分活性位點,使得吸附容量較小。隨著pH值增大,H+的競爭效應減弱,吸附性能隨之升高。

        2.5 吸附選擇性

        以La(III)/Fe(III)混合液為吸附質,研究AC-H-600對Fe(III)的識別選擇性,結果見表4。

        表4 分配系數(shù)和選擇性數(shù)據(jù)Table 4 Distribution coefficient andselectivity coefficient data

        由表4可知,在混合體系中,AC-H-600對Fe(III)的選擇性系數(shù)達到8.3,表明AC-H-600對Fe(III)有良好的識別選擇性。這是由于La(III)外層電子結構比較特殊,使得La(III)與N原子的配位能力比Fe(III)與N原子的配位能力差。因此,AC-H-600在對Fe(III)、La(III)二元混合體系進行靜態(tài)吸附時,吸附劑中的含氮官能團先與Fe(III)結合,從而體現(xiàn)出對Fe(III)具有優(yōu)異的識別選擇性[21]。

        2.6 吸附劑用量對Fe(III)去除率的影響

        圖8為吸附劑用量對Fe(III)、La(Ⅲ)去除率的影響。

        圖8 AC-H-600對Fe(III)、La(Ⅲ)去除率的影響Fig.8 Removal rate of AC-H-600 towards Fe(III) and La(Ⅲ)

        由圖8可知,不論是單一的Fe(III)溶液,還是La(III)與Fe(III)的混合溶液,隨著固液比的升高,對Fe(III)的去除率先上升后趨于平滑。固液比7.5 g/L時,去除率均可達到98%。表明AC-H-600對Fe(III)有良好的去除能力。

        3 結論

        采用頭發(fā)為炭源,600 ℃炭化,制得含氮炭材料AC-H-600。AC-H-600對Fe(III)具有良好的吸附與識別選擇性能,吸附容量可達15.54 mg/g,相對于La(III),AC-H-600對Fe(III)的選擇性系數(shù)達到8.3,AC-H-600對Fe(III)的去除率達到98.6%,AC-H-600可以作為去除La(III)中Fe(III)雜質的吸附劑。

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