風(fēng)化殼淋積型稀土礦中主要礦物對(duì)的吸附行為和機(jī)理研究

汪 榮,余軍霞,李小菊,康睿嫻,黎俊峰,李 菲,池汝安

(武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 綠色化工過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430205)

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

高嶺土、蒙脫土,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;埃洛石,古丈縣山麟石語(yǔ)礦產(chǎn)品有限公司;伊利石、石英、云母、長(zhǎng)石,靈壽縣德航礦產(chǎn)品有限公司。

酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、碘化汞、碘化鉀、硫酸銨、氯化鉀等均為分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

UP-200B型恒溫振蕩器,上海優(yōu)普實(shí)業(yè)有限公司;A390型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),上海翱藝儀器有限公司。

1.2 等溫吸附實(shí)驗(yàn)

(1)

1.3 競(jìng)爭(zhēng)吸附實(shí)驗(yàn)

1.4 吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

(2)

1.5 pH 值對(duì)吸附的影響

2 結(jié)果與討論

2.1 稀土礦的XRD分析(圖1)

圖1 稀土礦的XRD圖譜Fig.1 XRD spectra of rare earth ore

由圖1可知,稀土礦在2θ為19.7°、29.6°處出現(xiàn)了蒙脫土的特征衍射峰;在2θ為8.7°、26.7°、35.0°、38.1°、54.7°處出現(xiàn)了埃洛石的特征衍射峰;在2θ為35.0°、50.1°、68.3°處出現(xiàn)了伊利石的特征衍射峰;在2θ為12.3°、24.8°、38.4°、39.9°、40.2°、42.3°、45.4°處出現(xiàn)了高嶺土的特征衍射峰;在2θ為20.8°、50.6°處出現(xiàn)了石英的特征衍射峰;在2θ為8.7°、60.0°處出現(xiàn)了云母的特征衍射峰;在2θ為25.5°、32.1°、62.4°處出現(xiàn)了長(zhǎng)石的特征衍射峰。表明該稀土礦由粘土礦物(蒙脫土、埃洛石、伊利石、高嶺土)、造巖礦物(云母、長(zhǎng)石)、石英等成分組成。

2.2 吸附熱力學(xué)

圖2 蒙脫土(a)、埃洛石(b)、伊利石(c)、高嶺土(d)、石英(e)、云母(f)、長(zhǎng)石(g)、稀土礦(h)對(duì)的等溫吸附擬合曲線Fig.2 Isothermal adsorption fitting curve for adsorption of on montmorillonite(a),halloysite(b),illite(c),kaolinite(d),quartz(e),mica(f),albite(g),and rare earth ore(h)

表1 不同礦物對(duì)的等溫吸附模型擬合參數(shù)

(3)

(4)

(5)

蒙脫土、埃洛石、伊利石、高嶺土、石英、云母及長(zhǎng)石的晶體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 蒙脫土(a)、埃洛石(b)、伊利石(c)、高嶺土(d)、石英(e)、云母(f)及長(zhǎng)石(g)的晶體結(jié)構(gòu)Fig.3 Crystal structures of montmorillonite(a),halloysite(b),illite(c),kaolinite(d),quartz(e),mica(f),and albite(g)

云母是一種由堿金屬和堿土金屬結(jié)合而成的水鋁硅酸鹽礦物,云母類(lèi)礦物分布廣泛,是常見(jiàn)的主要造巖礦物,其晶體結(jié)構(gòu)由硅氧四面體(T)與鋁氧八面體(O)以T-O-T方式相間分布構(gòu)成,層間主要填充K+和Na+等堿金屬陽(yáng)離子,屬于典型的2∶1型層狀鋁硅酸鹽結(jié)構(gòu)(圖3f),常見(jiàn)的四面體陽(yáng)離子是Si4+、Al3+和Fe3+,八面體陽(yáng)離子通常是Al3+、Fe3+、Mg2+和Fe2+。由于硅酸鹽晶體層間發(fā)生的同晶置換作用以及晶格中的空穴等因素影響,云母晶體表面產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性負(fù)電荷,因而具有一定的陽(yáng)離子交換容量。

圖4 在蒙脫土與埃洛石(a)、蒙脫土與伊利石(b)、蒙脫土與高嶺土(c)、埃洛石與伊利石(d)、埃洛石與高嶺土(e)、伊利石與高嶺土(f)雙組分體系中的競(jìng)爭(zhēng)吸附Fig.4 Competitive adsorption of in two component systems of montmorillonite and halloysite(a),montmorillonite and illite(b),montmorillonite and kaolinite(c),halloysite and illite(d),halloysite and kaolinite(e),illite and kaolinite(f)

2.3 吸附動(dòng)力學(xué)

圖5 石英、云母、長(zhǎng)石對(duì)的吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig.5 Kinetic curves for adsorption of on quartz,mica,and albite

為了探究吸附機(jī)理,采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(式6)、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(式7)和顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程(式8)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同礦物對(duì)的吸附動(dòng)力學(xué)方程擬合參數(shù)

qt=qe(1-e-k1t)

(6)

(7)

qt=Kpt1/2+C

(8)

式中:qt為t(min) 時(shí)刻的吸附量,mg·g-1;k1為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù),min-1;k2為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù),g·mg-1·min-1;Kp為顆粒內(nèi)擴(kuò)散吸附速率常數(shù),min-1/2;C為擴(kuò)散邊界層相關(guān)常數(shù),mg·g-1。

2.4 pH值對(duì)不同礦物吸附的影響(圖6)

圖6 pH值對(duì)不同礦物吸附的影響Fig.6 Effect of pH value on adsorption of on different minerals

3 結(jié)論