风化壳淋积型稀土矿中主要矿物对的吸附行为和机理研究

汪 荣,余军霞,李小菊,康睿娴,黎俊峰,李 菲,池汝安

(武汉工程大学化学与环境工程学院 绿色化工过程教育部重点实验室,湖北 武汉 430205)

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

高岭土、蒙脱土,国药集团化学试剂有限公司;埃洛石,古丈县山麟石语矿产品有限公司;伊利石、石英、云母、长石,灵寿县德航矿产品有限公司。

酒石酸钾钠、氢氧化钠、碘化汞、碘化钾、硫酸铵、氯化钾等均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

UP-200B型恒温振荡器,上海优普实业有限公司;A390型紫外可见分光光度计,上海翱艺仪器有限公司。

1.2 等温吸附实验

(1)

1.3 竞争吸附实验

1.4 吸附动力学实验

(2)

1.5 pH 值对吸附的影响

2 结果与讨论

2.1 稀土矿的XRD分析(图1)

图1 稀土矿的XRD图谱Fig.1 XRD spectra of rare earth ore

由图1可知,稀土矿在2θ为19.7°、29.6°处出现了蒙脱土的特征衍射峰;在2θ为8.7°、26.7°、35.0°、38.1°、54.7°处出现了埃洛石的特征衍射峰;在2θ为35.0°、50.1°、68.3°处出现了伊利石的特征衍射峰;在2θ为12.3°、24.8°、38.4°、39.9°、40.2°、42.3°、45.4°处出现了高岭土的特征衍射峰;在2θ为20.8°、50.6°处出现了石英的特征衍射峰;在2θ为8.7°、60.0°处出现了云母的特征衍射峰;在2θ为25.5°、32.1°、62.4°处出现了长石的特征衍射峰。表明该稀土矿由粘土矿物(蒙脱土、埃洛石、伊利石、高岭土)、造岩矿物(云母、长石)、石英等成分组成。

2.2 吸附热力学

图2 蒙脱土(a)、埃洛石(b)、伊利石(c)、高岭土(d)、石英(e)、云母(f)、长石(g)、稀土矿(h)对的等温吸附拟合曲线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 不同矿物对的等温吸附模型拟合参数

(3)

(4)

(5)

蒙脱土、埃洛石、伊利石、高岭土、石英、云母及长石的晶体结构如图3所示。

图3 蒙脱土(a)、埃洛石(b)、伊利石(c)、高岭土(d)、石英(e)、云母(f)及长石(g)的晶体结构Fig.3 Crystal structures of montmorillonite(a),halloysite(b),illite(c),kaolinite(d),quartz(e),mica(f),and albite(g)

云母是一种由碱金属和碱土金属结合而成的水铝硅酸盐矿物,云母类矿物分布广泛,是常见的主要造岩矿物,其晶体结构由硅氧四面体(T)与铝氧八面体(O)以T-O-T方式相间分布构成,层间主要填充K+和Na+等碱金属阳离子,属于典型的2∶1型层状铝硅酸盐结构(图3f),常见的四面体阳离子是Si4+、Al3+和Fe3+,八面体阳离子通常是Al3+、Fe3+、Mg2+和Fe2+。由于硅酸盐晶体层间发生的同晶置换作用以及晶格中的空穴等因素影响,云母晶体表面产生了结构性负电荷,因而具有一定的阳离子交换容量。

图4 在蒙脱土与埃洛石(a)、蒙脱土与伊利石(b)、蒙脱土与高岭土(c)、埃洛石与伊利石(d)、埃洛石与高岭土(e)、伊利石与高岭土(f)双组分体系中的竞争吸附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 吸附动力学

图5 石英、云母、长石对的吸附动力学曲线Fig.5 Kinetic curves for adsorption of on quartz,mica,and albite

为了探究吸附机理,采用准一级动力学方程(式6)、准二级动力学方程(式7)和颗粒内扩散方程(式8)对实验数据进行拟合,结果见表2。

表2 不同矿物对的吸附动力学方程拟合参数

qt=qe(1-e-k1t)

(6)

(7)

qt=Kpt1/2+C

(8)

式中:qt为t(min) 时刻的吸附量,mg·g-1;k1为准一级动力学吸附速率常数,min-1;k2为准二级动力学吸附速率常数,g·mg-1·min-1;Kp为颗粒内扩散吸附速率常数,min-1/2;C为扩散边界层相关常数,mg·g-1。

2.4 pH值对不同矿物吸附的影响(图6)

图6 pH值对不同矿物吸附的影响Fig.6 Effect of pH value on adsorption of on different minerals

3 结论