改性凹凸棒土對鉀_鈣_鎂離子交換作用的研究_王麗

1、第17卷第1期2008年1月中國礦業(yè)CHINA MINING MAG AZINEVol.17,No.1J anuary 2008改性凹凸棒土對鉀、鈣、鎂離子交換作用的研究王麗,袁建軍(天津科技大學(xué),天津300457摘要:以江蘇盱眙凹凸棒土為原料,分別采用煅燒、酸洗、堿洗、氯銨洗和碳銨洗的方法對其進(jìn)行改性,考察改性凹凸棒土分別對鉀、鈣、鎂三種離子的離子交換效果。在低濃度水溶液(0105mol/L 中,以銨鹽溶液處理過的凹凸棒土對鉀、鈣、鎂三種離子的交換吸附順序?yàn)镵 +>Ca 2+>Mg 2+。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,改性凹凸棒土對鉀、鈣、鎂離子的交換吸附能力,應(yīng)用于海水中提取鉀鹽應(yīng)具有較好的前

2、景。關(guān)鍵詞:凹凸棒土;鉀離子;鈣離子;鎂離子;離子交換中圖分類號:TQ425/O647131+6文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1004-4051(200801-0084-05Study on the Ion exchange of potassium ,calcium and magnesium by alter 2attapulgiteWAN G Li ,YUAN Jian 2jun(Tianjin University of Science and Technology ,Tianjin 300457,China Abstract :Attaplgite f rom jiang su prov

3、ince was used as row material and treated by calcine ,acid ,alka 2li ,ammonium chloride and ammonium carbonate cleaning respectively to obtain alter 2attapulgte 1Then the ion exchange of potassium 、calcium and magnesium by alter 2attapulgite was investigated 1In low solution concentration (0105mol/L

4、 ,iron exchange order of those ions by ammonium 2alter 2attapulgite was K +>Ca 2+>Mg 2+1The result suggested alter 2attapulgite can be used to extract potassium f rom seawater 1K ey w ords :attapulgite ;potassium ;calcium ;magnesium ;ion exchange收稿日期:2007-10-16凹凸棒土是一種具有特殊結(jié)構(gòu)、形態(tài)、物化性質(zhì)的含水富鎂硅酸鹽粘土礦物

5、,具有優(yōu)異的吸附性能和一定的離子交換能力。活化后的凹凸棒土對敵百蟲、敵敵畏等有機(jī)磷農(nóng)藥有吸附凈化作用,可以部分取代活性炭,提高凈化度和重復(fù)利用率,降低吸附成本1。利用凹凸棒土的離子交換能力,處理含鉛2、銅、鋅3、鉻4、鎳5等重金屬離子廢水及含氟廢水6,使之達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。雖然自19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)凹凸棒土以來,各國學(xué)者對凹凸棒土從不同角度,進(jìn)行了不同程度的研究,但凹凸棒土的應(yīng)用仍然十分局限。海水是化學(xué)資源的寶庫,作為水資源和化學(xué)礦物資源而言,具有取之不盡的強(qiáng)大優(yōu)勢。本文選用江蘇省盱眙縣凹凸棒土作為原料,分別采用煅燒、酸洗、堿洗、氯銨洗和碳銨洗的方法對其進(jìn)行改性,考察凹凸棒土對鉀、鈣、鎂三種常見離子的離子

6、交換能力。希望能為海水中有用元素的提取提供一條新的工藝路線,并擴(kuò)大凹凸棒土離子交換吸附能力的應(yīng)用。1實(shí)驗(yàn)方法及藥劑111藥劑凹凸棒土:江蘇省盱眙縣,青灰色,p H 值67;氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、硫酸、氫氧化鈉、氯化銨、碳酸銨等均為分析純試劑。112凹凸棒土的預(yù)處理將凹凸棒土研磨篩分,于200煅燒4h ,用去離子水浸泡24h 后洗滌數(shù)遍至洗滌水澄清。烘干后干燥器內(nèi)密封保存。113凹凸棒土改性凹凸棒土的煅燒改性:稱取一定量經(jīng)預(yù)處理后的凹凸棒土,于設(shè)定溫度和保溫時間下在馬弗爐中煅燒,再次洗滌并烘干,密封保存。第1期王麗等:改性凹凸棒土對鉀、鈣、鎂離子交換作用的研究凹凸棒土的酸、堿、銨改性:稱取一定

7、量經(jīng)預(yù)處理后的凹凸棒土,按固液比1g10ml,分別加入一定濃度的硫酸、氫氧化鈉、氯化銨和碳酸銨,室溫下恒溫振蕩30min,用離心機(jī)分離固液數(shù)次,每次用蒸餾水沖洗,至洗液p H值達(dá)到中性為止;將改性凹凸棒土烘干后密封保存,即得到分別經(jīng)酸、堿、銨改性處理的凹凸棒土。114改性凹凸棒土對鉀、鈣、鎂離子的離子交換吸附改性凹凸棒土與配制的原溶液按固液比110放入燒杯中,于一定振蕩頻率、室溫下振蕩30min 后過濾分離。測定交換后溶液中離子濃度。凹凸棒土對鉀、鈣、鎂離子的單離子交換量,按下式進(jìn)行計(jì)算:E=103(C0-C1其中:E凹凸棒土對鉀、鈣、鎂離子的單位交換量(mg/g;C0原溶液中離子濃度(mg/

8、l;C1交換后溶液中離子的濃度(mg/l。2結(jié)果與分析211凹凸棒土預(yù)處理分析凹凸棒土性脆,摩氏硬度為23級,吸水性很好,吸水后顆粒松軟,甚至?xí)蔀槟酀{,因此,作為離子交換劑使用,需要提高其硬度并進(jìn)行造粒。本實(shí)驗(yàn)將凹凸棒土分別于105、200、250、300、350煅燒處理,用去離子水浸泡24h。結(jié)果顯示,200煅燒的凹凸棒土硬度,好于其他溫度下煅燒得到的凹凸棒土硬度。故本實(shí)驗(yàn)的凹凸棒土預(yù)處理方法為200下煅燒。212煅燒改性溫度對鉀、鈣、鎂離子的單位交換量的影響在200800溫度范圍內(nèi),選擇不同的煅燒溫度,按照113所述方法,對凹凸棒土進(jìn)行熱處理改性,改性后凹凸棒土分別與鉀離子濃度為2161

9、8mg/l的溶液、鈣離子濃度為52716mg/l的溶液、鎂離子濃度為34814mg/l的溶液進(jìn)行交換吸附。煅燒改性溫度對溶液中鉀、鈣、鎂離子離子交換量的影響結(jié)果見表1、圖1。表1煅燒改性溫度對鉀、鈣、鎂離子的單位交換量的影響煅燒改性溫度(交換后鉀離子濃度(mg/l鉀離子單位交換量(mg/g交換后鈣離子濃度(mg/l鈣離子交換量(mg/g交換后鎂離子濃度(mg/l鎂離子交換量(mg/g200125160184571891501688732914011900 300139160170611931501649032812012024 400145140164861701801875733114011

10、700 500144150165681141011444133218011557 600140140169791291911285133412011418 700115100195241601801975933711011132800172.40.3777- -圖1煅燒改性溫度對鉀、鈣、鎂離子的單位交換量的影響由表1、圖1可見,煅燒改性對提高凹凸棒土的鉀、鈣、鎂離子交換量作用不明顯。當(dāng)煅燒改性溫度為700時,改性凹凸棒土對鉀離子交換量最大,其余溫度下的改性凹凸棒土鉀離子交換量均低于預(yù)處理凹凸棒土;當(dāng)煅燒改性溫度為500時,改性凹凸棒土對鈣離子的交換量最大,其后隨溫度的升高,鈣離子交換量降低;當(dāng)

11、煅燒溫度高于300后,隨煅燒溫度的升高,改性凹凸棒土的鎂離子交換量隨之降低。213酸濃度對鉀、鈣、鎂離子單位交換量的影響按照113所述方法,分別用不同濃度的H2SO4對凹凸棒土進(jìn)行酸洗改性。H2SO4濃度對鉀、鈣、鎂離子離子交換能力的影響結(jié)果見表2、圖2。從表2、圖2可知,使用H2SO4對凹凸棒土進(jìn)行改性,可以提高凹凸棒土對鉀、鈣、鎂離子的交換量,但是提高的程度有限。當(dāng)H2SO4濃度高于1mol/l,H2SO4濃度對提高凹凸棒土的鉀離子交換量影響不大,改性凹凸棒土的鈣離子交換量和鎂離58中國礦業(yè)第17卷子交換量隨H2SO4濃度的增大而減小。表2酸濃度對鉀、鈣、鎂離子的單位交換量影響H2SO4濃

12、度(mol/l交換后鉀離子濃度(mg/l鉀離子單位交換量(mg/g交換后鈣離子濃度(mg/l鈣離子交換量(mg/g交換后鎂離子濃度(mg/l鎂離子交換量(mg/g0125160184571891501547032914011900 1102171114231391111192731416013375 299141117411461111123132911011929 3105111111661781901795133919010844410217111413-3471201 0121圖2酸濃度對鉀、鈣、鎂離子的單位交換量影響214堿濃度對鉀、鈣、鎂離子單位交換量的影響按照113所述方法,分別用

13、不同濃度的NaO H 對凹凸棒土進(jìn)行堿洗改性。NaO H濃度對鉀、鈣、鎂離子離子交換能力的影響結(jié)果見表3、圖3。從表3、圖3可知,使用NaO H對凹凸棒土進(jìn)行改性,在一定程度上提高了凹凸棒土對鉀、鈣、鎂三種離子的交換量。當(dāng)NaO H濃度大于1mol/L,并不能明顯提高凹凸棒土鉀離子交換吸附能力;改性凹凸棒土的鈣離子交換量和鎂離子交表3堿濃度對鉀、鈣、鎂離子單位交換量影響NaO H濃度(mol/l交換后鉀離子濃度(mg/l鉀離子單位交換量(mg/g交換后鈣離子濃度(mg/l鈣離子單位交換量(mg/g交換后鎂離子濃度(mg/l鎂離子交換量(mg/g0125160184571891501547032

14、914011900 150111166671581011003828919015846 235131181452441511371624711110125 35412116257121131157042271811205443612118063101141168962101911 3742圖3堿濃度對鉀、鈣、鎂離子單位交換量影響換量隨NaO H濃度的增加而增大。215氯銨濃度對鉀、鈣、鎂離子單位交換量的影響按照113所述方法,分別用不同濃度的N H4Cl 對凹凸棒土進(jìn)行氯銨改性。N H4Cl濃度對鉀、鈣、鎂離子離子交換能力的影響結(jié)果見表4、圖4。由表4、圖4可見,使用N H4Cl對凹凸棒土進(jìn)行

15、改性,提高凹凸棒土對鉀、鈣、鎂三種離子的離子交換,吸附作用較為明顯。當(dāng)N H4Cl濃度大于1mol/l時,N H4Cl濃度對凹凸棒土的鉀、鈣、鎂離子交換量影響不大。216碳氨濃度對鉀、鈣、鎂離子單位交換量的影響按照113所述方法,分別用不同濃度的(N H42CO3對凹凸棒土進(jìn)行碳氨改性。(N H42-CO3濃度對鉀、鈣、鎂離子離子交換能力的影響,結(jié)果見表5、圖5。鑒于碳酸銨溶解度所限,對改性濃度的考察到2mol/l為止。68第1期王麗等:改性凹凸棒土對鉀、鈣、鎂離子交換作用的研究表4氯銨濃度對鉀、鈣、鎂離子單位交換量的影響N H4Cl濃度(mol/l交換后鉀離子濃度(mg/l鉀離子單位交換量(

16、mg/g交換后鈣離子濃度(mg/l鈣離子交換量(mg/g交換后鎂離子濃度(mg/l鎂離子交換量(mg/g0125160184571891501547032914011900 1812210588591611987818210116635 21917119705891511689619813115007 3616211019491721087217118117659 432192106916116119679168181179605-174.3 1. 7410圖4氯銨濃度對鉀、鈣、鎂離子單位交換量的影響由表5、圖5可見,使用(N H42CO3對凹凸棒土進(jìn)行改性,提高凹凸棒土對鉀、鈣、鎂三種離子的

17、離子交換,吸附作用也較為明顯。當(dāng)(N H42 CO3濃度大于1mol/l時,(N H42CO3濃度對提高凹凸棒土的鉀、鈣、鎂離子交換量影響不大。217凹凸棒土幾種改性方法的比較通過研究煅燒溫度、酸濃度、堿濃度、氯化銨濃度、碳酸銨濃度對凹凸棒土鉀、鈣、鎂交換量的表5碳氨濃度對鉀、鈣、鎂離子單位交換量的影響(N H42CO3濃度(mol/l交換后鉀離子濃度(mg/l鉀離子單位交換量(mg/g交換后鈣離子濃度(mg/l鈣離子交換量(mg/g交換后鎂離子濃度(mg/l鎂離子交換量(mg/g0125160184571891501547032914011900 1812210855841511739321

18、314113500251021184088151169961971711 5068圖5碳氨濃度對鉀、鈣、鎂離子單位交換量的影響影響,結(jié)果表明,凹凸棒土對鉀、鈣、鎂三種離子的離子交換能力主要受改性劑的影響,改性劑濃度的影響不是很明顯。煅燒改性對提高凹凸棒土鉀、鈣、鎂離子交換量影響不明顯,故將實(shí)驗(yàn)結(jié)果中改性劑均為1mol/l得到的凹凸棒土對鉀、鈣、鎂三種離子的交換量相比較,考察不同改性方法對凹凸棒土鉀、鈣、鎂離子交換量的影響,結(jié)果見表6、圖6。表6凹凸棒土改性方法的比較改性方法鉀離子交換量(mg/g鈣離子交換量(mg/g鎂離子交換量(mg/g H2SO4111423111927013375 NaO

19、 H116667110106015846N H4Cl210588119878116635(N H42CO3210855117393113500實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:對鉀、鈣、鎂這三種離子而言,煅燒改性和酸改性都不能有效的提高凹凸棒土對三種離子的單位交換量。從數(shù)據(jù)來分析,煅燒改性凹凸棒土對三種離子的單位交換量曲線,都出現(xiàn)某一個溫度的極值,而其他溫度的交換量與極值相比有很大差距,這表明,煅燒改性的凹凸棒土對三78中國礦業(yè)第17卷 圖6凹凸棒土改性方法的比較種離子的吸附作用強(qiáng)于離子交換作用。堿改性和兩種銨改性都能有效的提高凹凸棒土對鉀、鈣、鎂三種離子的交換量,銨改性的效果好于NaO H 改性。碳銨改性對提高

20、鉀離子交換量有較好的效果,氯銨改性則對鈣、鎂離子交換量的提高有較好的效果。218改性凹凸棒土對溶液中鉀、鈣、鎂三種離子交換順序的測定通過改性凹凸棒土分別對溶液中鉀、鈣、鎂離子的交換實(shí)驗(yàn)結(jié)果,使用對鉀、鈣、鎂三種離子交換吸附能力較好的碳銨改性凹凸棒土和氯銨改性凹凸棒土,對鉀離子當(dāng)量濃度010526mol/l 、鈣離子當(dāng)量濃度010511mol/l 、鎂離子當(dāng)量濃度010525mol/l 的混合溶液進(jìn)行離子交換反應(yīng),測定改性凹凸棒土對這三種離子的離子交換交換順序,結(jié)果見圖7。 圖7改性凹凸棒土對溶液中鉀、鈣、鎂三種離子交換順序從圖7可見,改性凹凸棒土對鉀、鈣、鎂三種離子的交換順序?yàn)?K +>Ca 2+>Mg 2+。3結(jié)論(1凹凸棒土經(jīng)實(shí)驗(yàn)中所采用的改性方法處理,對溶液中的K +、Ca 2+、Mg 2+均具有交換吸附能力。其中,使用銨鹽溶液改性的凹凸棒土,對K +、Ca 2+、Mg 2+的交換吸附能力有明顯增加。(2使用1mol/l 以上不同濃度的酸、堿、銨鹽溶液改性得到的凹凸棒土,對K +的交換吸附能力基本無影響,而不同的酸、堿改性劑濃度對Ca 2+、Mg 2+的交換吸附能力有一定影響。(3在低濃度水溶液(0105mol/l 中,以銨鹽溶液