改性凹凸棒土对钾_钙_镁离子交换作用的研究

第17卷第1期 2008年1月

中 国 矿 业

C HINA MINING MA GAZINE

V o l.17,N o.1Januar y 2008

改性凹凸棒土对钾、钙、镁离子交换作用的研究

王 丽,袁建军

(天津科技大学,天津300457)

摘 要:以江苏盱眙凹凸棒土为原料,分别采用煅烧、酸洗、碱洗、氯铵洗和碳铵洗的方法对其进行改性,考察改性凹凸棒土分别对钾、钙、镁三种离子的离子交换效果。在低浓度水溶液(0105mo l/L )中,以铵盐溶液处理过的凹凸棒土对钾、钙、镁三种离子的交换吸附顺序为K +>Ca 2+>M g 2+。实验结果表明,改性凹凸棒土对钾、钙、镁离子的交换吸附能力,应用于海水中提取钾盐应具有较好的前景。 关键词:凹凸棒土;钾离子;钙离子;镁离子;离子交换

中图分类号:T Q425/O 647131+6 文献标识码:B 文章编号:1004-4051(2008)01-0084-05

Study on the Ion exchange of potassiu m,

calcium and magnesium by alter -attapulgite

W A N G L i,Y U AN Jian -jun

(T ianjin U niversit y of Science and T echno log y,T ianjin 300457,China)

Abstract:A ttaplg ite fro m jiang su pro vince w as used as r ow mater ial and treated by calcine,acid,alka -li,ammo nium chlo ride and ammonium carbonate cleaning r espectiv ely to obtain a lter -at tapulg te 1T hen the ion exchang e of potassium 、calcium and mag nesium by alter -att apulg ite was investig ated 1In lo w solut ion concent ratio n (0105mol/L ),iro n ex change o rder of those io ns by ammonium -alter -attapulgite was K +>Ca 2+>M g 2+1T he r esult sug gested alter -att apulg ite can be used to extr act po tassium fr om seawat er 1 Key words:attapulg ite;po tassium;ca lcium;mag nesium;ion exchange

收稿日期:2007-10-16

凹凸棒土是一种具有特殊结构、形态、物化性质的含水富镁硅酸盐粘土矿物,具有优异的吸附性能和一定的离子交换能力。活化后的凹凸棒土对敌

百虫、敌敌畏等有机磷农药有吸附净化作用,可以部分取代活性炭,提高净化度和重复利用率,降低吸附成本[1]

。利用凹凸棒土的离子交换能力,处理含铅[2]、铜、锌[3]、铬[4]、镍[5]等重金属离子废水及含氟废水[6],使之达到排放标准。虽然自19世纪发现凹凸棒土以来,各国学者对凹凸棒土从不同角度,进行了不同程度的研究,但凹凸棒土的应用仍然十分局限。

海水是化学资源的宝库,作为水资源和化学矿物资源而言,具有取之不尽的强大优势。本文选用江苏省盱眙县凹凸棒土作为原料,分别采用煅烧、酸洗、碱洗、氯铵洗和碳铵洗的方法对其进行改

性,考察凹凸棒土对钾、钙、镁三种常见离子的离子交换能力。希望能为海水中有用元素的提取提供一条新的工艺路线,并扩大凹凸棒土离子交换吸附能力的应用。1 实验方法及药剂111 药剂

凹凸棒土:江苏省盱眙县,青灰色,pH 值6~7;氯化钾、氯化钙、氯化镁、硫酸、氢氧化钠、氯化铵、碳酸铵等均为分析纯试剂。112 凹凸棒土的预处理

将凹凸棒土研磨筛分,于200e 煅烧4h,用去离子水浸泡24h 后洗涤数遍至洗涤水澄清。烘干后干燥器内密封保存。113 凹凸棒土改性

凹凸棒土的煅烧改性:称取一定量经预处理后的凹凸棒土,于设定温度和保温时间下在马弗炉中煅烧,再次洗涤并烘干,密封保存。

第1期王丽等:改性凹凸棒土对钾、钙、镁离子交换作用的研究

凹凸棒土的酸、碱、铵改性:称取一定量经预处理后的凹凸棒土,按固液比1g B10ml,分别加入一定浓度的硫酸、氢氧化钠、氯化铵和碳酸铵,室温下恒温振荡30min,用离心机分离固液数次,每次用蒸馏水冲洗,至洗液pH值达到中性为止;将改性凹凸棒土烘干后密封保存,即得到分别经酸、碱、铵改性处理的凹凸棒土。

114改性凹凸棒土对钾、钙、镁离子的离子交换吸附

改性凹凸棒土与配制的原溶液按固液比1B10放入烧杯中,于一定振荡频率、室温下振荡30m in 后过滤分离。测定交换后溶液中离子浓度。

凹凸棒土对钾、钙、镁离子的单离子交换量,按下式进行计算:

E=10*(C0-C1)

其中:E)凹凸棒土对钾、钙、镁离子的单位交换量(mg/g);

C0)原溶液中离子浓度(m g/l);

C1)交换后溶液中离子的浓度(mg/l)。2结果与分析

211凹凸棒土预处理分析

凹凸棒土性脆,摩氏硬度为2~3级,吸水性很好,吸水后颗粒松软,甚至会成为泥浆,因此,作为离子交换剂使用,需要提高其硬度并进行造粒。本实验将凹凸棒土分别于105e、200e、250e、300e、350e煅烧处理,用去离子水浸泡24h。结果显示,200e煅烧的凹凸棒土硬度,好于其他温度下煅烧得到的凹凸棒土硬度。故本实验的凹凸棒土预处理方法为200e下煅烧。

212煅烧改性温度对钾、钙、镁离子的单位交换量的影响

在200e~800e温度范围内,选择不同的煅烧温度,按照113所述方法,对凹凸棒土进行热处理改性,改性后凹凸棒土分别与钾离子浓度为21618m g/l的溶液、钙离子浓度为52716mg/l的溶液、镁离子浓度为34814mg/l的溶液进行交换吸附。煅烧改性温度对溶液中钾、钙、镁离子离子交换量的影响结果见表1、图1。

表1煅烧改性温度对钾、钙、镁离子的单位交换量的影响

煅烧改性温度(e)交换后钾离子

浓度(mg/l)

钾离子单位

交换量(m g/g)

交换后钙离

子浓度(mg/l)

钙离子交换

量(m g/g)

交换后镁离

子浓度(mg/l)

镁离子交

换量(m g/g)

200125160184571891501688732914011900 300139160170611931501649032812012024 400145140164861701801875733114011700 500144150165681141011444133218011557 600140140169791291911285133412011418 700115100195241601801975933711011132

800172.40.3777---

-

图1煅烧改性温度对钾、钙、镁

离子的单位交换量的影响

由表1、图1可见,煅烧改性对提高凹凸棒土的钾、钙、镁离子交换量作用不明显。当煅烧改性温度为700e时,改性凹凸棒土对钾离子交换量最大,其余温度下的改性凹凸棒土钾离子交换量均低于预处理凹凸棒土;当煅烧改性温度为500e时,改性凹凸棒土对钙离子的交换量最大,其后随温度的升高,钙离子交换量降低;当煅烧温度高于300e后,随煅烧温度的升高,改性凹凸棒土的镁离子交换量随之降低。

213酸浓度对钾、钙、镁离子单位交换量的影响按照113所述方法,分别用不同浓度的H2SO4对凹凸棒土进行酸洗改性。H2SO4浓度对钾、钙、镁离子离子交换能力的影响结果见表2、图2。

从表2、图2可知,使用H2SO4对凹凸棒土进行改性,可以提高凹凸棒土对钾、钙、镁离子的交换量,但是提高的程度有限。当H2SO4浓度高于1m ol/l,H2SO4浓度对提高凹凸棒土的钾离子交换量影响不大,改性凹凸棒土的钙离子交换量和镁离

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中国矿业第17卷子交换量随H2SO4浓度的增大而减小。

表2酸浓度对钾、钙、镁离子的单位交换量影响

H2SO4浓度(m ol/l)交换后钾离子

浓度(mg/l)

钾离子单位

交换量(m g/g)

交换后钙离

子浓度(mg/l)

钙离子交

换量(m g/g)

交换后镁离

子浓度(mg/l)

镁离子交

换量(m g/g)

0125160184571891501547032914011900 1102171114231391111192731416013375 299141117411461111123132911011929 3105111111661781901795133919010844

410217111413--

34712010121

图2酸浓度对钾、钙、镁离子的单位交换量影响214碱浓度对钾、钙、镁离子单位交换量的影响按照113所述方法,分别用不同浓度的NaOH 对凹凸棒土进行碱洗改性。NaOH浓度对钾、钙、镁离子离子交换能力的影响结果见表3、图3。

从表3、图3可知,使用N aOH对凹凸棒土进行改性,在一定程度上提高了凹凸棒土对钾、钙、镁三种离子的交换量。当NaOH浓度大于1m ol/L,并不能明显提高凹凸棒土钾离子交换吸附能力;改性凹凸棒土的钙离子交换量和镁离子交

表3碱浓度对钾、钙、镁离子单位交换量影响

NaOH浓度(m ol/l)

交换后钾离

子浓度(mg/l)

钾离子单位

交换量(m g/g)

交换后钙离

子浓度(mg/l)

钙离子单位

交换量(m g/g)

交换后镁离

子浓度(m g/l)

镁离子交

换量(m g/g)

0125160184571891501547032914011900 150111166671581011003828919015846 235131181452441511371624711110125 354121162571211311570422718112054

4361211806310114116896

21019113742

图3碱浓度对钾、钙、镁离子单位交换量影响

换量随NaOH浓度的增加而增大。

215氯铵浓度对钾、钙、镁离子单位交换量的影响

按照113所述方法,分别用不同浓度的NH4Cl 对凹凸棒土进行氯铵改性。NH4Cl浓度对钾、钙、镁离子离子交换能力的影响结果见表4、图4。

由表4、图4可见,使用NH4Cl对凹凸棒土进行改性,提高凹凸棒土对钾、钙、镁三种离子的离子交换,吸附作用较为明显。当NH4Cl浓度大于1m ol/l时,NH4Cl浓度对凹凸棒土的钾、钙、镁离子交换量影响不大。

216碳氨浓度对钾、钙、镁离子单位交换量的影响

按照113所述方法,分别用不同浓度的(NH4)2CO3对凹凸棒土进行碳氨改性。(NH4)2-CO3浓度对钾、钙、镁离子离子交换能力的影响,结果见表5、图5。鉴于碳酸铵溶解度所限,对改性浓度的考察到2m ol/l为止。

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第1期王丽等:改性凹凸棒土对钾、钙、镁离子交换作用的研究

表4氯铵浓度对钾、钙、镁离子单位交换量的影响

NH4Cl浓度(m ol/l)

交换后钾离

子浓度(mg/l)

钾离子单位

交换量(m g/g)

交换后钙离

子浓度(mg/l)

钙离子交

换量(m g/g)

交换后镁离

子浓度(mg/l)

镁离子交

换量(m g/g)

0125160184571891501547032914011900 1812210588591611987818210116635 21917119705891511689619813115007 3616211019491721087217118117659 43219210691611611967916818117960

5----174.3 1.

7410

图4氯铵浓度对钾、钙、镁离子单位交换量的影响

由表5、图5可见,使用(NH4)2CO3对凹凸棒土进行改性,提高凹凸棒土对钾、钙、镁三种离子的离子交换,吸附作用也较为明显。当(NH4)2 CO3浓度大于1mo l/l时,(NH4)2CO3浓度对提高凹凸棒土的钾、钙、镁离子交换量影响不大。217凹凸棒土几种改性方法的比较

通过研究煅烧温度、酸浓度、碱浓度、氯化铵浓度、碳酸铵浓度对凹凸棒土钾、钙、镁交换量的

表5碳氨浓度对钾、钙、镁离子单位交换量的影响

(NH4)2CO3浓度(mol/l)

交换后钾离

子浓度(mg/l)

钾离子单位

交换量(m g/g)

交换后钙离

子浓度(mg/l)

钙离子交

换量(m g/g)

交换后镁离

子浓度(mg/l)

镁离子交

换量(m g/g)

0125160184571891501547032914011900 1812210855841511739321314113500

251021184088151169961971711

5068

图5碳氨浓度对钾、钙、镁离子单位交换量的影响影响,结果表明,凹凸棒土对钾、钙、镁三种离子的离子交换能力主要受改性剂的影响,改性剂浓度的影响不是很明显。煅烧改性对提高凹凸棒土钾、钙、镁离子交换量影响不明显,故将实验结果中改性剂均为1mol/l得到的凹凸棒土对钾、钙、镁三种离子的交换量相比较,考察不同改性方法对凹凸棒土钾、钙、镁离子交换量的影响,结果见表6、图6。

表6凹凸棒土改性方法的比较

改性方法钾离子交换量(mg/g)钙离子交换量(mg/g)镁离子交换量(mg/g) H2S O4111423111927013375 NaOH116667110106015846 NH4Cl210588119878116635

(NH4)2CO3210855117393113500

实验结果表明:对钾、钙、镁这三种离子而言,煅烧改性和酸改性都不能有效的提高凹凸棒土对三种离子的单位交换量。从数据来分析,煅烧改性凹凸棒土对三种离子的单位交换量曲线,都出现某一个温度的极值,而其他温度的交换量与极值相比有很大差距,这表明,煅烧改性的凹凸棒土对三

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中

国矿业

第17卷

图6 凹凸棒土改性方法的比较

种离子的吸附作用强于离子交换作用。

碱改性和两种铵改性都能有效的提高凹凸棒土

对钾、钙、镁三种离子的交换量,铵改性的效果好

于NaOH 改性。碳铵改性对提高钾离子交换量有较好的效果,氯铵改性则对钙、镁离子交换量的提高有较好的效果。

218 改性凹凸棒土对溶液中钾、钙、镁三种离子交换顺序的测定

通过改性凹凸棒土分别对溶液中钾、钙、镁离子的交换实验结果,使用对钾、钙、镁三种离子交换吸附能力较好的碳铵改性凹凸棒土和氯铵改性凹

凸棒土,对钾离子当量浓度010526mol/l 、钙离子当量浓度010511mo l/l 、镁离子当量浓度010525mol/l 的混合溶液进行离子交换反应

,测定改性凹凸棒土对这三种离子的离子交换交换顺序,结果见图7。

图7 改性凹凸棒土对溶液中钾、钙、镁三种离子交换顺序

从图7可见,改性凹凸棒土对钾、钙、镁三种离子的交换顺序为:K +>Ca 2+>Mg 2+。

3 结 论

(1)凹凸棒土经实验中所采用的改性方法处理,对溶液中的K +、Ca 2+、M g 2+均具有交换吸附能力。其中,使用铵盐溶液改性的凹凸棒土,对K +、Ca 2+、M g 2+的交换吸附能力有明显增加。

(2)使用1mol/l 以上不同浓度的酸、碱、铵盐溶液改性得到的凹凸棒土,对K +的交换吸附能力基本无影响,而不同的酸、碱改性剂浓度对Ca 2+、M g 2+的交换吸附能力有一定影响。

(3)在低浓度水溶液(0105mo l/l)中,以铵

盐溶液处理过的凹凸棒土对钾、钙、镁三种离子的交换吸附顺序为K +

>Ca 2+

>Mg 2+

。对钾离子的选择交换吸附能力明显强于钙、镁离子。

(4)改性凹凸棒土对钾、钙、镁离子的交换吸附能力,应用于海水中提取钾盐应具有较好的前景。根据实验结果,采用铵盐溶液为改性剂,可获得对

钾离子较高的交换吸附量和较好的选择性。

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