氨基膦酸螯合纤维对铟的动态吸附性能研究

2020-11-26孙耀冉

石家庄学院学报 2020年6期

孙耀冉

（石家庄学院化工学院，河北石家庄 050035）

0 引言

铟在铟锡氧化物、硒铟铜薄膜太阳电池、光纤通讯、原子能、电视、防腐以及其他工业方面的应用越来越广泛.近年来铟作为战略资源，在高科技武器制造中也有着极其重要的作用，但自然界中的铟大部分以稀散状态微量伴生于其他矿石中.铟一般与闪锌矿伴生[1]，铟工业生产中存在杂质分离困难、回收效率低及生产成本过高等问题.基于对铟高选择性的要求，笔者制备了氨基膦酸螯合纤维（TEPAPCF）[2]，在TEPAPCF对铟的静态吸附性能的研究基础上，研究TEPAPCF对铟铁混合溶液中In（Ⅲ）的动态吸附选择性，并对动态吸附性能的影响因素进行考察，以期将螯合纤维技术应用在铟富集分离的生产实践中的铟铁分离难题中.

1 实验试剂与仪器

FeSO4·7H2O，FeCl3·6H2O，ZnCl2，In2（SO4）3，NaOH，HCl均为市售分析纯，TEPACF为实验室自制.实验中所用水均为去离子水.

Optima ICP-OES（美国PerkinElmer公司）；SHA-B恒温振荡器（常州国华电器有限公司）；AR2140电子天平（奥豪斯公司）；PHS-25雷磁数字酸度计（上海精密科学仪器公司）；BSZ-160F电脑自动部分收集器（上海精科实业有限公司）；BT100-1J恒流泵（保定兰格恒流泵有限公司）；20～200 μL取样器[芬兰百得实验室仪器（中国）有限公司].

2 实验方法

2.1 动态吸附实验

准确称取一定质量的TEPAPCF，在蒸馏水中浸泡30 min，充分浸润后，除去纤维表面的气泡，于蒸馏水中按照一定的装填密度装入离子交换柱，控制一定流速并加入预先配制的一定浓度的金属离子溶液，透出液用电脑自动部分收集器分段收集，直至纤维对金属离子不再吸附为止.测定收集管中透出液的金属离子的浓度，然后以透出率为纵坐标，以流出液体积为横坐标绘制穿透曲线[3].

2.2 动态解吸实验

动态吸附饱和后的TEPAPCF先用蒸馏水冲洗，然后再用一定浓度的解吸剂在一定的流速下解吸，用电脑自动收集器分段收集，直到透出液中不含金属离子为止，测定透出液金属离子的浓度，然后以浓度为纵坐标，以解吸液体积为横坐标绘制解吸曲线[4].

2.3 ICP-OES 法检测 In（Ⅲ）、Fe、Zn（Ⅱ）浓度

In、Fe和 Zn 的最佳分析线分别为 325.609，238.204，213.857 nm，在泵进样量 1.50 mL·min-1、辅助气流量0.2 mL·min-1、射频功率 1 300 W，等离子体 15 mL·min-1、雾化器 0.80 mL·min-1下进行测定.

3 实验结果与讨论

3.1 TEPAPCF 对混合溶液中 In（Ⅲ）、Fe（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）的动态吸附

称取0.50 g TEPAPCF装柱，柱内径0.6 cm，柱高8.0 cm，加入浓度分别为100 mg·L-1的FeSO4、ZnSO4和In2（SO4）3溶液，调整pH值为2.80，以流速为0.80 mL·min-1（0.35 BV·min-1）按2.1和2.2所述的方法进行动态吸附和解吸实验，图1给出了3种金属离子的穿透曲线和解吸曲线.

从图 1（a）可以看出，Fe（Ⅱ）和 Zn（Ⅱ）很快穿透，In（Ⅲ）在 100 mL 时开始穿透，在该条件下，TEPAPCF 对In（Ⅲ）、Fe（Ⅱ）和 Zn（Ⅱ）能有效分离；从图 1（b）可以看出，解吸液中 In（Ⅲ）的浓度最高，达到 1 000 mg·L-1，浓缩倍数大于 10，Fe（Ⅱ）和 Zn（Ⅱ）的浓度相当，在 200 mg·L-1左右，所以在该条件下，TEPAPCF 能从 In（Ⅲ）、Fe（Ⅱ）和Zn（Ⅱ）混合溶液中有效分离富集In（Ⅲ）.

3.2 TEPAPCF 对混合溶液中 In（Ⅲ）、Fe（Ⅲ）、Zn（Ⅱ）的动态吸附

称取0.50 g TEPAPCF装柱，柱内径0.6 cm，柱高8.0 cm，加入浓度分别为50 mg·L-1的Fe2（SO4）3、ZnSO4和In2（SO4）3溶液，pH值调整到2.60，以流速为0.80 mL·min-1（0.35 BV·min-1）按2.1和2.2所述的方法进行动态吸附和解吸实验，图2给出了3种金属离子的穿透曲线和解吸曲线.

从图2（a）可以看出，Zn（Ⅱ）在透出液体积为30 mL开始穿透，In（Ⅲ）和Fe（Ⅲ）的穿透曲线几乎重合，在实验范围内一直没有穿透；从图2（b）可以看出，解吸液中In（Ⅲ）和Fe（Ⅲ）的浓度相当，浓缩倍数近20，Zn（Ⅱ）的浓度在200 mg·L-1左右，在该条件下，TEPAPCF 能从 In（Ⅲ）、Fe（Ⅲ）和 Zn（Ⅱ）混合溶液中有效分离 Zn（Ⅱ），但是In（Ⅲ）和Fe（Ⅲ）的吸附行为一直无法分离，通过动态吸附性能的研究表明TEPAPCF对三价金属离子具有很好的吸附选择性.

3.3 TEPAPCF动态吸附In（Ⅲ）、Fe（Ⅱ）和Zn（Ⅱ）影响因素研究

称取0.50 g TEPAPCF装柱，柱内径0.6 cm，柱高8.0 cm，研究不同pH值、不同溶液浓度和不同流速对动态吸附In（Ⅲ）、Fe（Ⅱ）和Zn（Ⅱ）的影响，表1给出了实验中的主要吸附条件.

图 1 TEPAPCF 动态吸附 In(Ⅲ)、Fe(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)

图2 TEPAPCF动态吸附In（Ⅲ）、Fe（Ⅲ）、Zn（Ⅱ）

表1 动态吸附In（Ⅲ）、Fe（Ⅱ）和Zn（Ⅱ）影响因素研究的主要条件

3.3.1 溶液pH值对TEPAPCF动态吸附In（Ⅲ）、Fe（Ⅱ）和Zn（Ⅱ）的影响

图3 pH值对TEPAPCF动态吸附In（Ⅲ）、Fe（Ⅱ）和Zn（Ⅱ）的影响

按表1中的不同pH值条件和2.1节所述的方法进行动态吸附，图3给出了不同pH值时3种金属离子的穿透曲线.从图3（a）～（d）可以看出，当溶液pH值为1.38和2.00时，3种离子很快穿透，溶液pH值升高到2.20和2.42时吸附开始，TEPAPCF能从In（Ⅲ）、Fe（Ⅱ）和Zn（Ⅱ）混合溶液中有效分离富集In（Ⅲ）.如果溶液pH值继续升高时，溶液中Fe（Ⅱ）会被氧化成Fe（Ⅲ）而吸附于柱中，pH值为2.60时，Fe（Ⅱ）开始被氧化成Fe（Ⅲ），穿透延迟，所以动态吸附的最佳pH值条件为2.40～2.50.

3.3.2 溶液浓度对TEPAPCF动态吸附In（Ⅲ）、Fe（Ⅱ）和Zn（Ⅱ）的影响

按表1中不同溶液浓度条件和2.1节与2.2节所述的方法进行动态吸附和解吸实验，图4和图5分别给出了两组浓度比不同的溶液中3种离子的穿透曲线和解吸曲线.从图4和图5可以看出，其他吸附条件相同，溶液中Zn（Ⅱ）和Fe（Ⅱ）的浓度大幅度提高，In（Ⅲ）的浓度不变时，由于大量Zn（Ⅱ）和Fe（Ⅱ）的竞争吸附的影响，In（Ⅲ）的穿透提前，且解吸液中Zn（Ⅱ）和Fe（Ⅱ）的比例增加，但TEPAPCF仍然能够分离富集In（Ⅲ）.

3.3.3 流速对In（Ⅲ）、Fe（Ⅱ）和 Zn（Ⅱ）动态吸附的影响

按表1中不同流速条件和2.1节与2.2节所述的方法进行动态吸附和解吸实验，图6和图7分别给出了两种流速时金属离子的穿透曲线和解吸曲线.从图6（a）和图7（a）可以看出，在相同吸附条件下，当流速从 0.40 mL·min-1降低到 0.20 mL·min-1时，In（Ⅲ）的穿透延迟，TEPAPCF 对 In（Ⅲ）和 Fe（II）的吸附容量都增大；从图 6（b）和图 7（b）可以看出，当流速为 0.20 mL·min-1时，Fe:In（浓度比）从吸附前液中的 18:1 减小到了3:1，Zn（Ⅱ）的浓度很小.所以流速降低到0.20 mL·min-1时TEPAPCF完成了混合溶液中In（Ⅲ）的分离富集.

4 结论

动态吸附性能研究表明：1）TEPAPCF对三价金属离子具有很好的吸附选择性，在一定的条件下，TEPAPCF能从 In（Ⅲ）、Fe（Ⅱ）和 Zn（Ⅱ）混合溶液中分离富集 In（Ⅲ）.2）各因素对 TEPAPCF吸附 In（Ⅲ）、Fe（Ⅱ）和Zn（Ⅱ）动态性能的影响研究结果表明，pH 值为 2.40～2.50，流速为 0.20 mL·min-1时，TEPAPCF能从 In（Ⅲ）、Fe（Ⅱ）和 Zn（Ⅱ）混合溶液中有效分离富集In（Ⅲ）溶液；当溶液中 Zn（Ⅱ）和 Fe（Ⅱ）的浓度大幅度提高，In（Ⅲ）的穿透时间提前，且解吸液中铁和锌的比例增加.