己二酸改性磁性水滑石的制備及其吸附鈾的性能

任 宇，宿延濤，陳樹森，勾陽(yáng)飛，王鳳菊

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

己二酸改性磁性水滑石的制備及其吸附鈾的性能

任 宇，宿延濤，陳樹森，勾陽(yáng)飛，王鳳菊

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

研究了用化學(xué)共沉淀法和離子交換法合成己二酸改性磁性水滑石，并采用FT-IR、TGA和VSM等手段對(duì)其結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和磁性能進(jìn)行表征?？疾炝巳芤簆H、接觸時(shí)間、鈾初始質(zhì)量濃度等對(duì)己二酸改性磁性水滑石吸附鈾的影響。結(jié)果表明，己二酸改性磁性水滑石對(duì)鈾有較好的吸附效果，吸附平衡容量達(dá)332 mg/g干，對(duì)低質(zhì)量濃度(<10 mg/L)鈾的吸附率大于93%，所吸附的鈾可通過(guò)磁分離技術(shù)加以回收。利用己二酸改性磁性水滑石處理含鈾溶液有一定應(yīng)用前景。

磁性水滑石；己二酸；化學(xué)改性；鈾；吸附

近年來(lái)，磁性材料的發(fā)展突飛猛進(jìn)，已應(yīng)用于磁分離、生物醫(yī)學(xué)、污染防治等多個(gè)領(lǐng)域[11-14]。另外，借助化學(xué)改性手段，磁性材料能夠與其他功能材料有機(jī)結(jié)合，轉(zhuǎn)變成磁性復(fù)合功能材料。因這類材料既具有磁性材料的磁響應(yīng)能力又具有其他功能材料的特性而備受關(guān)注。

基于水滑石類材料和磁性材料的特性并兼顧制備成本，試驗(yàn)擬將水滑石類材料和磁性材料有機(jī)結(jié)合，并通過(guò)己二酸對(duì)其化學(xué)改性，開發(fā)出一種新型、廉價(jià)的己二酸改性磁性水滑石復(fù)合功能材料，通過(guò)FT-IR、TGA和VSM等對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征，并測(cè)試了其對(duì)鈾的吸附性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

SHZ-82型氣浴恒溫振蕩器，江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司；智能升降水浴鍋、機(jī)械電動(dòng)攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；Impact410型紅外光譜儀，美國(guó)Nicolet公司；pHS-25型pH計(jì)，北京精微高博科技有限公司；三口瓶、冷凝管，北京欣維爾玻璃儀器有限公司。

硫酸亞鐵、硫酸鐵、氨水、硝酸鎂、硝酸鋁、氫氧化鈉、無(wú)水碳酸鈉，均為市售分析純?cè)噭?/p>

1.2 己二酸改性磁性水滑石的制備

1.2.1 磁性介質(zhì)的制備

稱取FeSO4·7H2O 2.78 g和FeCl3·6H2O 5.40 g于250 mL三口瓶中，加入100 mL去離子水，攪拌溶解。在65 ℃下，向三口瓶中滴入濃度為0.6 mol/L的氨水至溶液pH在10～11之間，滴完后繼續(xù)反應(yīng)1 h，然后在此溫度下陳化1 h，得黑褐色沉淀。用磁鐵吸引傾去上層清液，分別用乙醇、丙酮、去離子水洗滌沉淀物至中性且無(wú)Cl-(Ag+檢驗(yàn))，備用。

1.2.2 磁性鎂鋁水滑石的制備

采用化學(xué)共沉淀法制備磁性鎂鋁水滑石。稱取0.4 g磁性介質(zhì)于三口瓶中，加入適量去離子水，劇烈攪拌，恒溫水浴加熱至65 ℃。稱取0.10 mol Mg(NO3)2·6H2O 和0.05 mol Al(NO3)3·9H2O 溶解于100 mL去離子水中獲得溶液A；將0.33 mol NaOH和0.10 mol Na2CO3溶解于100 mL去離子水中獲得溶液B；將溶液A與溶液B同時(shí)滴加到三口瓶中，至溶液pH=10，在65 ℃下繼續(xù)攪拌8 h。靜置沉淀一段時(shí)間后抽濾，用乙醇、去離子水洗滌沉淀物至中性，在70 ℃下真空干燥，研磨后即得磁性鎂鋁水滑石。

1.2.3 己二酸改性磁性水滑石的制備

采用離子交換法制備己二酸改性磁性水滑石(A-LDH-M)。稱取2.0 g磁性鎂鋁水滑石于三口瓶中，加入去離子水，在70 ℃下攪拌一定時(shí)間使其充分溶脹、分散。稱取3.2 g己二酸加入到氫氧化鈉溶液中，形成己二酸鈉鹽，然后加入到分散溶液中，攪拌，調(diào)節(jié)體系pH至4，回流反應(yīng)2 h后過(guò)濾、洗滌，于70 ℃下在真空烘箱中干燥，之后研磨得到A-LDH-M。

1.3 產(chǎn)物表征

1)傅里葉紅外光譜(FT-IR)分析

紅外表征利用Impact410型傅里葉紅外光譜儀，掃描范圍4 000～500 cm-1。以干燥后的KBr作基底材料，將真空干燥后的A-LDH-M及少量KBr混合并研磨成細(xì)粉，壓片測(cè)試。

2)熱重(TGA)分析

熱重分析利用美國(guó)Perkin-Elmer公司的TGA7型熱重分析儀，測(cè)試條件：溫度范圍25～600 ℃，升溫速度10 ℃/min，高純氮?dú)獗Ｗo(hù)，氣體流速60.0 mL/min。

3)振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)分析

磁滯回線測(cè)試?yán)肨DAW-2000型變溫振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)，磁矩量程20.00 emu，磁場(chǎng)強(qiáng)度量程250 A/m，磁場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)定125 A/m，時(shí)間常數(shù)0.1 s，退磁因子0.322 0。

1.4 A-LDH-M吸附鈾的性能測(cè)試

通過(guò)靜態(tài)吸附試驗(yàn)，考察溶液pH、接觸時(shí)間、鈾初始質(zhì)量濃度等因素對(duì)A-LDH-M吸附鈾的影響及A-LDH-M對(duì)低濃度鈾的吸附性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 A-LDH-M的表征

2.1.1 紅外光譜分析

A-LDH-M的紅外光譜分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 A-LDH-M的紅外光譜

2.1.2 熱重分析

A-LDH-M的熱重分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 A-LDH-M熱重分析曲線

由圖2看出：隨溫度升高，A-LDH-M逐步發(fā)生熱分解，熱分解過(guò)程主要包括脫出層間水、層板羥基脫水、層間己二酸根離子氧化分解等，最終使A-LDH-M的有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)被破壞，形成復(fù)合金屬氧化物。在350～460 ℃范圍內(nèi)，曲線出現(xiàn)大幅變化，表面熱分解反應(yīng)加劇，對(duì)應(yīng)著A-LDH-M層間己二酸根離子發(fā)生氧化分解。

2.1.3 磁性能分析

1)順磁性能

為了驗(yàn)證所制備的A-LDH-M是否具有順磁性，用相機(jī)拍照后進(jìn)行宏觀觀察。將A-LDH-M分散在水中，然后在燒杯右側(cè)施加1個(gè)磁場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行吸引。A-LDH-M在外加磁場(chǎng)吸引下迅速向磁鐵方向靠近，并且全部聚集在磁極附近，分散介質(zhì)水變得清亮；撤離磁場(chǎng)后，A-LDH-M在超聲或攪拌后仍均勻分散在水溶劑中：這表明A-LDH-M具有良好的順磁性能。

2)磁滯回線

利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)定A-LDH-M的磁滯回線，如圖3所示。

圖3 A-LDH-M的磁滯回線

由圖3看出：磁滯回線呈S型，幾乎沒(méi)有滯后效應(yīng)，矯頑力和剩磁都非常小，這充分說(shuō)明A-LDH-M具有良好的超順磁性；隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，A-LDH-M磁化強(qiáng)度不斷增大，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為25 A/m時(shí)，A-LDH-M的磁化達(dá)到飽和，其磁化強(qiáng)度趨于定值，即比飽和磁化強(qiáng)度為6.16 Am2/kg，這說(shuō)明A-LDH-M具有較好的磁響應(yīng)能力，可在較小的磁場(chǎng)強(qiáng)度下工作。

2.2 A-LDH-M吸附鈾的性能研究

2.2.1 溶液pH對(duì)A-LDH-M吸附鈾的影響

配制鈾質(zhì)量濃度25.2 mg/L的溶液8份，用0.1 mol/L HNO3和0.5 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)鈾溶液pH。

靜態(tài)吸附試驗(yàn)條件：8個(gè)錐形瓶中分別加入0.1 g A-LDH-M，再分別加入不同pH的含鈾溶液100 mL，然后將錐形瓶放入恒溫氣浴振蕩器中振蕩，控制溫度為25 ℃，接觸時(shí)間2 h。測(cè)定吸附前后溶液中鈾質(zhì)量濃度，計(jì)算鈾吸附率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 溶液pH對(duì)A-LDH-M吸附鈾的影響

從圖4看出：隨pH增大，A-LDH-M對(duì)鈾的吸附率先升高后降低；pH在4～7之間時(shí)，A-LDH-M對(duì)鈾的吸附率達(dá)95%以上；在堿性(pH為8、10)條件下，A-LDH-M對(duì)鈾的吸附率也在90%以上。

2.2.2 吸附時(shí)間對(duì)A-LDH-M吸附鈾的影響

配制鈾質(zhì)量濃度為26.0 mg/L的溶液8份，調(diào)節(jié)溶液pH=6。

靜態(tài)吸附試驗(yàn)條件：向8個(gè)錐形瓶中分別加入0.1 g A-LDH-M、鈾溶液100 mL，放入恒溫氣浴振動(dòng)器中振蕩吸附，溫度為25 ℃。接觸時(shí)間對(duì)A-LDH-M吸附鈾的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 吸附動(dòng)力學(xué)曲線

由圖5看出，在前50 min內(nèi)，A-LDH-M對(duì)鈾的吸附速度較快，吸附80 min后達(dá)到平衡。

2.2.3 鈾初始質(zhì)量濃度對(duì)A-LDH-M吸附鈾的影響

向11個(gè)錐形瓶中分別加入0.1 g A-LDH-M及pH=6、鈾質(zhì)量濃度不同的溶液100 mL，放入恒溫氣浴振動(dòng)器中振蕩吸附，控制水浴溫度為25 ℃、接觸時(shí)間為80 min。A-LDH-M吸附鈾的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 吸附等溫線

由圖6看出，隨溶液中鈾質(zhì)量濃度增大，A-LDH-M對(duì)鈾的吸附容量先迅速增大，之后趨于平衡，最大吸附容量為332 mg/g干。

2.2.4 A-LDH-M對(duì)低濃度鈾的吸附

向5個(gè)錐形瓶中分別加入0.1 g A-LDH-M及pH=6、鈾質(zhì)量濃度不同的溶液100 mL，放入恒溫氣浴振動(dòng)器中振蕩吸附，控制水浴溫度為25 ℃，接觸時(shí)間為80 min。A-LDH-M對(duì)低質(zhì)量濃度鈾的吸附結(jié)果見表1。

表1 A-LDH-M對(duì)低質(zhì)量濃度鈾的吸附結(jié)果

由表1看出，A-LDH-M對(duì)低質(zhì)量濃度(<10 mg/L)鈾的吸附效果較好，吸附率大于93%。

3 結(jié)論

采用化學(xué)共沉淀法和離子交換法可制備己二酸改性磁性水滑石，所制備的磁性水滑石具有良好的磁性能，比飽和磁化強(qiáng)度為6.16 Am2/kg。

己二酸改性磁性水滑石對(duì)pH為4～7的溶液中的鈾具有良好的吸附效果，吸附平衡時(shí)間為80 min，平衡吸附容量可達(dá)332 mg/g干，對(duì)低質(zhì)量濃度(<10 mg/L)鈾的吸附率大于93%。

己二酸改性磁性水滑石是一種帶磁性的鈾吸附劑，可有效吸附溶液中的鈾，并通過(guò)磁分離技術(shù)回收鈾，對(duì)于含鈾溶液的處理有一定應(yīng)用前景。

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Preparation and Adsorption Behavior for Uranium of Magnetic Hydrotalcite Modified by Adipate

REN Yu，SU Yantao，CHEN Shusen，GOU Yangfei，WANG Fengju

(BeijingResearchInstituteofChemicalEngineeringandMetallurgy，CNNC，Beijing101149，China)

Magnetic hydrotalcite modified with adipate was prepared by chemical coprecipitation and ion exchange.The product was charactered by FT-IR,TGA and VSM.Batch experiments were conducted to examine the effects of pH and shaking time on adsorption efficiency of the product for uranium.The results show that the magnetic hydrotalcite modified with adipate can efficiently adsorb uranium,and its equilibrium adsorption capacity for uranium is 332 mg/g.The adsorption rate is over 93% when the initial uranium concentration is less than 10 mg/L.The magnetic hydrotalcite modified with adipate can recovery uranium through magnetic separation technique and can applicate in treating uranium solution.

magnetic hydrotalcite;adipate;chemical modification;uranium;adsorption

2016-10-21

鈾礦冶自主科研項(xiàng)目。

任宇(1984-)，男，北京人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)橛袡C(jī)/無(wú)機(jī)分離材料研發(fā)。E-mail：renyu0618@163.com。

陳樹森(1978-)，男，遼寧葫蘆島人，博士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橛袡C(jī)高分子分離材料研發(fā)。 E-mail：samcss@163.com。

TL212

A

1009-2617(2017)03-0213-05

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.03.011