1、 第 17卷第 1期 2008年 1月中 國(guó) 礦 業(yè)CHINA MINING MAG AZINE Vol. 17, No. 1J anuary 2008改性凹凸棒土對(duì)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 、 行改性 , 考察改性凹凸棒土分別對(duì)鉀 、 鈣 、 鎂三種離子的離子交換效果 。 0105mol/L 中 , 以銨鹽溶液處理過(guò)的凹凸棒土對(duì)鉀 、 鈣 、 2+2。 實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明 , 改性凹凸棒土對(duì)鉀 、 鈣 、 鎂離子的交換吸附能力 , 。 關(guān)鍵詞 :凹凸棒土 ;

2、 鉀離子 ; 鈣離子 ; ; 中圖分類(lèi)號(hào) :TQ425/O647131+:1004-4051(2008 01-0084-05exchange of potassium , 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 province was used as row material and treated by

3、 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 , iron exchange order of those ions by

4、ammonium 2alter 2attapulgite was K +>Ca 2+>Mg 2+1The result suggested alter 2attapulgite can be used to extract potassium f rom seawater 1 K 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 , 具有優(yōu)異的吸附性 能和一定的離子交換能力 。 活化

5、后的凹凸棒土對(duì)敵 百蟲(chóng) 、 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(lái) , 各國(guó)學(xué)者對(duì)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(kù) , 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(shì) 。 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

6、銨洗的方法對(duì)其進(jìn)行改性 , 考察凹凸棒土對(duì)鉀 、 鈣 、 鎂三種常見(jiàn)離子的離 子交換能力 。 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?cè)噭?。 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(chēng)取

7、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(shí)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(duì)鉀 、 鈣 、 鎂離子交換作用的研究 凹凸棒土的酸 、 堿 、 銨改性 :稱(chēng)取一定量經(jīng)預(yù) 處理后的凹凸棒土 , 按固液比 1g 10ml , 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(duì)鉀 、鈣 、鎂離子的離子

8、交換 吸附 改性凹凸棒土與配制的原溶液按固液比 1 10放入燒杯中 , 于一定振蕩頻率 、室溫下振蕩 30min 后過(guò)濾分離 。 測(cè)定交換后溶液中離子濃度 。 凹凸棒土對(duì)鉀 、鈣 、鎂離子的單離子交換量 , 按下式進(jìn)行計(jì)算 :E =103(C 0-C 1 其中 :E 凹凸棒土對(duì)鉀 、鈣交換量 (mg/g ; C 0 l ; C 1 (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(jí) , 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

9、 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(duì)鉀 、鈣量的影響, 選擇不同的煅 1, 對(duì)凹凸棒土進(jìn)行熱處 , 性 后 凹 凸 棒 土 分 別 與 鉀 離 子 濃 度 為 18mg/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(duì)溶液中鉀 、 鈣 、 鎂離子離子交 換量的影響結(jié)果見(jiàn)表 1、 圖

10、 1。表 1 煅燒改性溫度對(duì)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/g 800172. 40. 3777- -圖 1 煅燒改性溫度對(duì)鉀 、 鈣 、 鎂離子的單位交換量的影響 由表 1、 圖 1可見(jiàn) , 煅燒改性對(duì)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(shí) , 改性凹凸棒土對(duì)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 ;

11、當(dāng)煅燒改性溫度為 500 時(shí) , 改性凹凸棒土對(duì)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) 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(duì)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 H 2SO 4對(duì)凹凸棒土進(jìn)行酸洗改性 。 H 2SO 4濃度對(duì)鉀 、鈣 、 鎂離子離子交換能力的影響結(jié)果見(jiàn)表 2、 圖 2。 從表 2、 圖 2可知 , 使用 H 2SO 4對(duì)凹凸棒土進(jìn) 行改性 , 可以提高凹凸棒土對(duì)鉀 、 鈣 、 鎂離子的交 換量 , 但是提

12、高的程度有限 。當(dāng) H 2SO 4濃度高于 1mol/l , H 2SO 4濃度對(duì)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 5 8中 國(guó) 礦 業(yè)第 17卷子交換量隨 H 2SO 4濃度的增大而減小 。表 2 酸濃度對(duì)鉀 、 鈣 、 鎂離子的單位交換量影響H 2SO 4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/g 10217111413-34712010121 圖 2 酸濃度對(duì)鉀 、 鈣 、 鎂離子的單位交

13、換量影響214 堿濃度對(duì)鉀 、 鈣 、 13, NaO HH 濃度對(duì)鉀 、鈣 、 3、 圖 3。 3、 圖 3可知 , 使用 NaO H 對(duì)凹凸棒土進(jìn) 行改性 , 在一定程度上提高了凹凸棒土對(duì)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(duì)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

14、離 子濃度 (mg/l 鎂離子交 換量 (mg/g 36121180631011411689621019113742 圖 3 堿濃度對(duì)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(duì)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 H 4Cl對(duì)凹凸棒土進(jìn)行氯銨改性 。 N H 4Cl 濃度對(duì)鉀 、鈣 、 鎂離子離子交換能力的影響結(jié)果見(jiàn)表 4、 圖 4。 由表 4、圖 4可見(jiàn) , 使用 N H 4Cl 對(duì)凹凸棒土 進(jìn)行改性 , 提高凹凸棒土對(duì)鉀 、 鈣 、 鎂三種離子的 離子交換 , 吸附作用較為明顯 。當(dāng) N

15、H 4Cl 濃度大 于 1mol/l 時(shí) , N H 4Cl 濃度對(duì)凹凸棒土的鉀 、鈣 、 鎂離子交換量影響不大 。 216 碳氨濃度對(duì)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 H 4 2CO 3對(duì)凹凸棒土進(jìn)行碳氨改性 。 (N H 4 2-CO 3濃度對(duì)鉀 、鈣 、鎂離子離子交換能力的影響 ,結(jié)果見(jiàn)表 5、 圖 5。 鑒于碳酸銨溶解度所限 , 對(duì)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(duì)鉀 、 鈣 、 鎂離子交換作用的研究 表 4 氯銨濃度對(duì)鉀 、 鈣 、 鎂離子單位交換量的影響N H

16、 4Cl 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/g 5-174. 31. 7410圖 4 鈣 、 由表 5、圖 5可見(jiàn) , 使用 (N H 4 2CO 3對(duì)凹凸 棒土進(jìn)行改性 , 、 鈣 、 鎂三種離 , 。當(dāng) (N H 4 2 3l (H 4 2CO 3濃度對(duì)提高 、 鎂離子交換量影響不大 。1 通過(guò)研究煅燒溫度 、 酸濃度 、 堿濃度 、 氯化銨 濃度 、 碳酸銨濃度對(duì)凹凸棒土鉀 、 鈣 、 鎂交換量的 表 5 碳氨濃度對(duì)鉀 、 鈣 、 鎂

17、離子單位交換量的影響(N H 4 2CO 3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/g 5068圖 5 碳氨濃度對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)鉀 、鈣 、鎂三 種離子的交換量相比較

18、, 考察不同改性方法對(duì)凹凸 棒土鉀 、 鈣 、鎂離子交換量的影響 , 結(jié)果見(jiàn)表 6、 圖 6。表 6 凹凸棒土改性方法的比較 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 :對(duì)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(duì)三種離子的單位交換量 。 從數(shù)據(jù)來(lái)分析 , 煅燒改 性凹凸棒土對(duì)三種離子的單位交換量曲線 , 都出現(xiàn) 某一個(gè)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(duì)三 7 8中 國(guó) 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(duì)鉀 、 鈣 、 鎂三種離子

19、的交換量 , 銨改性的效果好于 NaO H 改性 。碳銨改性對(duì)提高鉀離子交換量有 較好的效果 , 氯銨改性則對(duì)鈣 、 鎂離子交換量的提 高有較好的效果 。 218 改性凹凸棒土對(duì)溶液中鉀 、鈣 、鎂三種離子 交換順序的測(cè)定 通過(guò)改性凹凸棒土分別對(duì)溶液中鉀 、 鈣 、 鎂離 子的交換實(shí)驗(yàn)結(jié)果 , 使用對(duì)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(duì)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 , 測(cè)定, 7 圖 7 改性凹凸棒土對(duì)溶液中鉀 、 鈣 、 鎂三

20、種離子交換順序 從圖 7可見(jiàn) , 改性凹凸棒土對(duì)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(duì)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(duì) 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(duì) K +的交換吸附能 力基本 無(wú) 影 響 , 而 不 同 的 酸 、堿 改 性 劑 濃 度 對(duì) 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 鹽溶液處理過(guò)的凹凸棒土對(duì)鉀 、 鈣 、 鎂三種離子的 交換吸附順序?yàn)?K +>Ca 2+>Mg 2+。對(duì)鉀離子的 選擇交換吸附能力明顯強(qiáng)于鈣 、 鎂離子 。 (4 改性凹凸棒土對(duì)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