溶剂浸渍树脂的制备及其对含钒溶液的吸附分离性能研究

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钒是一种稀有金属元素,通常作为一种伴生元素赋存于钒钛磁铁矿和含钒页岩中。从这些低品级含钒资源中提钒,一般需先将其从物料中浸出,然后将得到的含钒浸出液进行净化富集以满足后续产品制备的要求,其中钒的分离富集是决定整个提钒过程成功与否的重要工序之一。目前针对含钒溶液的分离富集方法均存在着固有的不足之处,溶剂浸渍树脂结合了溶剂萃取和离子交换技术二者的优势,具有制备方法简单、试剂消耗少、环境污染小、吸附分离效率高等优点,越来越多的应用于元素分离富集的研究中。  本研究采用溶剂浸渍树脂处理含钒溶液,分别考察了浸渍树脂的制备条件、浸渍树脂对钒的吸附分离性能特征以及浸渍树脂对钒的吸附作用机理。得到的主要结论如下:  (1)通过溶剂萃取试验和浸渍试验发现,萃取剂P204对钒的萃取效果明显,极性较小的石油醚对萃取剂的稀释效果最好,确定以P204+石油醚作为制备浸渍树脂的萃取溶剂;根据萃取剂的浸渍率、浸渍树脂对钒的吸附量和树脂中单位萃取剂吸附的钒量三个指标确定XAD-16HP树脂是较为理想的浸渍树脂载体;比较常见浸渍方法,发现干浸法效果更好;浸渍过程中最佳浸渍条件为萃取剂浓度50%,萃取溶剂与载体树脂的比例为10:1mL/g,浸渍时间为12h,浸渍温度25℃,得到的浸渍树脂具有较好的性能和吸附钒效果;通过SEM、FTIR、TG、比表面积和孔径分析及溶胀度测试可以判断P204浸渍树脂中萃取剂的存在和有效性。对比浸渍树脂和溶剂萃取处理含钒溶液发现,浸渍树脂中萃取剂利用效率得到明显提高。  (2)由静态吸附试验可知P204浸渍树脂吸附V(Ⅳ)和V(Ⅴ)的最佳pH值均为2;P204浸渍树脂对V(Ⅳ)和V(Ⅴ)的吸附量随溶液中溶质的平衡浓度增大而增加,直至吸附达到平衡状态,平衡吸附容量分别为16.04mg/g和18.21mg/g;温度升高,均有利于吸附过程;P204浸渍树脂对V(Ⅳ)和V(Ⅴ)的吸附量随吸附接触时间的延长而增加,初期吸附速率较快,吸附平衡时间分别为18h和12h。考察P204浸渍树脂对V(Ⅳ)和V(Ⅴ)的动态吸附性能,发现流速越低、吸附柱越高,吸附穿透体积增加,穿透时间延长,越有利于吸附过程。对于V(Ⅳ)、Fe(Ⅲ)、Al(Ⅲ)三元混合溶液,由P204浸渍树脂对金属离子的亲和性差异,设计了分步吸附-淋洗流程,获得了较好的钒回收率和富集比。  (3)P204浸渍树脂吸附V(Ⅳ)和V(Ⅴ)的过程均满足Langmuir等温吸附方程。热力学计算表明吸附过程的焓变ΔH>0、熵变ΔS>0、不同温度下的吉布斯自由能ΔG<0,说明钒的吸附是一个吸热、熵增且能自发进行的过程。动力学研究表明,拟二级动力学方程能较好地描述P204浸渍树脂吸附V(Ⅳ)和V(Ⅴ)的过程,且通过速率控制步骤拟合显示吸附过程均受颗粒扩散控制。通过饱和法、斜率法和红外光谱分析考察了P204浸渍树脂对V(Ⅳ)和V(Ⅴ)的吸附机理,结果显示P204浸渍树脂中萃取剂与钒的摩尔比为4:1,由此得到了吸附反应式,钒的吸附过程是配位反应与阳离子交换反应共同作用的结果。
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