关键词:
重稀土
MCM-41
磷酸酯
选择性吸附
摘要:
重稀土已经成为了高新技术和新能源领域中重要的战略资源,对于重稀土的需求与日俱增、地位日益重要。中国是稀土生产大国,但稀土矿分布不均,且矿物中稀土元素浓度较低。随着高品位矿石的枯竭和低品位矿床的高成本开采造成了全球稀土市场供应短缺,而且稀土元素不可再生,这也使得稀土的高效分离成为科学上的热点问题,同时也是保障国家稀土战略安全的关键。吸附法工艺简单富集效率高,被认为是一种很有前景的分离提取方法。介孔二氧化硅MCM-41具有孔径可调,表面羟基丰富,易于改性且在酸性条件下稳定等特点,被认为是优异的稀土离子吸附剂载体。稀土离子具有强路易斯酸性,与供氧基团配位能力强,在载体表面接枝特定的官能团,调节官能团中与稀土离子形成多齿配位的多个原子的空间距离,使其优先络合半径较小的重稀土离子,同时增加配体分子的刚性,保证其上的配位原子在空间距离上的稳态化,最终形成对重稀土离子选择性吸附的多齿配位结构。基于此研究思路,本文合成了不同磷酸酯改性MCM-41系列材料,研究了具有不同结构的官能团和载体孔径差异对重稀土离子的选择性吸附机理及构效关系。本论文的主要研究结果如下:
(1)以硅酸钠为硅源,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂,1,3,5-三甲苯为扩孔剂,采用水热法合成了孔径分别为2.59、3.27、4.14 nm的MCM-41载体,分别将其命名为MCM-41(2、3、4 nm)。利用SA-XRD、TEM和N2-物理吸附表征发现,载体显示出高度有序的六边形孔道结构,孔隙通道清晰可见,其孔径逐渐增大。
(2)稀土离子具有强路易斯酸性,与供氧基团配位络合能力强弱对稀土离子的吸附具有重要作用。为了提高选择性吸附能力,首先加入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)将MCM-41(2、3、4 nm)表面氨基化,再接枝三种不同结构的含磷官能团,即亚甲基双氯化磷(NDP2)、氯磷酸二甲酯(Me)和氯磷酸二异丙酯(Pr)。TG结果表明,与载体MCM-41相比,改性后的材料在300~600℃之间官能团热解造成了明显的失重;红外谱图中改性后的吸附剂出现了P=O的伸缩振动峰;13C NMR谱图中分别出现了官能团结构中-P-C-P-、甲氧基和异丙基的碳原子,进一步证实了有机磷酸官能团接枝到了MCM-41表面。
(3)为了实现对单一稀土离子的选择性回收,将吸附剂在稀土离子混合溶液和K+、Ca2+、Na+、Mg2+的共存竞争阳离子离子溶液中进行吸附,结果表明竞争阳离子对吸附的影响较小,NDP2-MCM-41(2 nm)、Me-MCM-41(4 nm)和Pr-MCM-41(4 nm)均对Lu3+选择性吸附,其中Me-MCM-41(4 nm)的分布系数Kd值达到20400 m L/g,SFLu/La值为83。不同的是随着载体孔径的增大,Me和Pr改性吸附剂对Lu3+的Kd值逐渐增大,而NDP2-MCM-41(4 nm)对半径大的轻稀土离子(La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+)的选择性增强。结合吸附前后的XPS表征和密度泛函理论(DFT)计算分析吸附机理,磷酸基团中的多个-P=O/-P-O键可形成“分子围栏”的结构,与稀土离子形成多齿配位,NDP2-MCM-41和Me-MCM-41与Lu3+的结合能更大,键长更短。增大孔径给予了分子围栏扩张的空间,使得柔性强的NDP2改性MCM-41(4 nm)对半径更大的轻稀土离子选择性增加,Me和Pr支链上的甲基和异丙基增加了结构的刚性,有利于固定分子围栏的范围,选择性吸附半径小的重稀土离子。
(4)为了探究磷酸酯改性MCM-41吸附剂的吸附性能进行了条件吸附实验,结果表明在pH值为4时对稀土离子的吸附效率最佳;NDP2、Me和Pr改性MCM-41(4 nm)对于Lu3+的吸附等温线符合Langmuir等温吸附模型,饱和吸附量分别为74.52 mg/g、12.41 mg/g和9.80 mg/g;准二级动力学模型拟合的相关系数R2值更大,表明吸附过程为单分子层的化学吸附。经过5次循环洗脱,材料对于Lu3+仍然具有较好的选择性吸附能力,证明材料具有良好的可再生性和稳定性。