（2-乙基己基胺基）甲基膦酸单-2-乙基己基酯浸渍树脂对钪的选择性吸附及应用

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240262

摘要/Abstract

摘要：

将（2-乙基己基胺基）甲基膦酸单-2-乙基己基酯（HEHAMP，H₂L₂）浸渍到大孔树脂Pre-XAD-16上制得了浸渍树脂（SIRs-HEHAMP），研究了在硫酸介质中SIRs-HEHAMP对钪的吸附性能，考察了反应时间、溶液酸度、硫酸氢根离子浓度、树脂用量以及温度等因素对钪吸附的影响，发现SIRs-HEHAMP浸渍树脂对Sc³⁺的吸附量随着反应时间的增加而逐渐增大；在高酸度范围下，SIRs-HEHAMP浸渍树脂对Sc³⁺的吸附率随着酸度的增大而略有降低，而在pH值范围内对Sc³⁺的吸附率几乎没有影响；在吸附过程中硫酸氢根没有参与配位；温度对Sc³⁺的吸附几乎没有影响； SIRs-HEHAMP吸附Sc³⁺的过程符合准二级动力学模型；测定了浸渍树脂对钪的饱和负载量（以Sc₂O₃计）为36.29 mg/g，并对SIRs-HEHAMP浸渍树脂、HEHAMP萃取剂以及支撑基质Pre-XAD-16进行了红外光谱与TG-DSC表征，结果表明，HEHAMP成功浸渍到支撑基质Pre-XAD-16上。将SIRs-HEHAMP浸渍树脂用于从模拟赤泥浸出液中吸附和分离钪。 Sc³⁺的吸附率为51.71%，TiO²⁺吸附率为42.50%，几乎不吸附Al³⁺，Fe³⁺和稀土离子吸附率均在20%以下，Sc/Ti分离系数为1.45；加入质量分数为6%的H₂O₂时，SIRs-HEHAMP浸渍树脂对Sc³⁺吸附率提升到63.17%，TiO²⁺和Fe³⁺的吸附率下降，其余金属离子基本不吸附，Sc/Ti分离系数提高至6.94，表明该浸渍树脂可以应用于从赤泥浸出液中分离回收钪。

关键词: （2-乙基己基胺基）甲基膦酸单-2-乙基己基酯, 钪, 浸渍树脂, 吸附, 分离

Abstract:

The （2-ethylhexylamino） methyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester （HEHAMP） impregnated resin was prepared by loading α-amino acid phosphine extractant， known as HEHAMP， onto macroporous resin Pre-XAD-16. The study investigates the adsorption properties of scandium in a sulfuric acid medium， examining the impacts of reaction time， acidity， concentration of hydrogen sulfate ions， resin dosage and temperature. It was found that the adsorption capacity of scandium increased gradually with the increase of reaction time. Under high acidity conditions， the adsorption rate of Sc³⁺ by SIRs-HEHAMP impregnated resin slightly decreased with increasing acidity， while within the pH range there was almost no effect on the adsorption rate of Sc³⁺. During the adsorption process， HSO₄^- did not participate in coordination. Temperature had almost no effect on the adsorption of Sc³⁺. The adsorption process of Sc³⁺ by SIRs-HEHAMP followed a pseudo-second-order kinetic model. The saturated adsorption capacity of the resin for scandium （expressed as Sc₂O₃） was 36.29 mg/g. Infrared spectroscopy and TG-DSC characterization were conducted on SIRs-HEHAMP impregnated resin， HEHAMP extractant， and the macroporous resin Pre-XAD-16. The results indicated that HEHAMP was successfully impregnated onto the supporting matrix Pre-XAD-16. The application of HEHAMP impregnated resin to the adsorption and recovery of Sc（Ⅲ） from a simulated sulfuric acid leaching solution of red mud was also explored. The adsorption rate of Sc（Ⅲ） was determined to be 51.71%， while that of Ti（Ⅳ） was 42.50% and Al（Ⅲ） showed negligible adsorption，the adsorption rates for Fe（Ⅲ） and rare earth ions were below 20%， and the separation factor between Sc（Ⅲ） and Ti（Ⅳ）（SF_（Se/Ti）） was 1.45. By introducing 6% （mass percent） hydrogen peroxide， the adsorption rate of Sc（Ⅲ） improved to 63.17%， the adsorption rates of Ti（Ⅳ） and Fe（Ⅲ） weredecreased， while other metal ions showed negligible adsorption. The separation factors between Sc（Ⅲ） and Ti（Ⅳ）（SF_（Se/Ti）） reached 6.94， indicating an enhancement in selectivity for scandium over titanium in the adsorption process.

Key words: （2-Ethylhexylamino） methyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester, Scandium, Impregnated resin, Adsorption, Separation

中图分类号:

O658.1

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图/表 12

图1 反应时间对Sc3+吸附量的影响c（Sc3+）=0.005 mol/L， pHini=1.31， V=10 mL， m（SIRs-3）=186 mg

Fig.1 Effect of reaction time on the Sc3+ adsorption

图2 水相酸度、硫酸氢根离子浓度对Sc3+吸附/萃取的影响：（A）高酸度下Sc3+吸附率随酸度改变的变化规律；（B）低酸度下Sc3+吸附率随酸度改变的变化规律；（C）水相pH值对Sc3+萃取率的影响；（D）硫酸氢根离子浓度变化对Sc3+吸附率的影响A. c（Sc3+）=0.003 mol/L， V=10 mL， m（SIRs-3）=200 mg， reaction time=60 min； B. c（Sc3+）=0.001 mol/L， V=10 mL， m（SIRs-3）=100 mg， reaction time=60 min； C. c（HEHAMP）=0.003 mol/L， c（Sc3+）=0.001 mol/L， Vorg=5 mL， Vaq=5 mL， reaction time=30 min； D. c（Sc3+）=0.005 mol/L， V=10 mL， m（SIRs-3）=100 mg， pH=2， reaction time=60 min. * Vorg is volume of organic phase， Vaq is volume of aqueous phase

Fig.2 Effect of the solution acidity of the solution on the Sc3+ adsorption （（A） high acidity and （B） low acidity）；（C） Effect of the aqueous acidity on the extraction of Sc3+；（D） Effect of HSO4- concentration on the Sc3+ adsorption

图3 树脂用量对Sc3+吸附率的影响规律c（Sc3+）=0.006 mol/L， V=10 mL， pH=2， reaction time=60 min

Fig.3 Effect of amount of impregnated resin on the Sc3+ adsorption

图4 不同萃取剂负载量的SIRs-HEHAMP浸渍树脂对Sc3+离子的吸附（以氧化物计）m（resins）=10 g （resins represent Pre-XAD-16， SIRs-1， SIRs-2， SIRs-3）， c（Sc3+）=0.05 mol/L， c（H2SO4）=0.44 mol/L，V=20 mL， room temperature， reaction time=60 min

Fig.4 Adsorption of Sc3+ ions （calculated by oxides） by SIRs-HEHAMP impregnated resin with different extractant loading

表1 不同浸渍树脂在硫酸介质中对Sc3+的吸附性能

Table 1 Adsorption property of different impregnated resin for Sc3+ in sulfuric acid medium

Impregnated resins	Extractant	Extractant loading/（mmol·g^-1）	Adsorption capacity ^a /（mg·g^-1）	Acidity/（mol·L^-1 H₂SO₄）	Equilibrium time/min	Ref.
TP-272	Cyanex272	-	17.01	pH=2.5	720	［18］
TRPO/SiO₂-P	Cyanex923	0.89	20.40	5	120	［19］
HDEHP/SiO₂-P	P204	0.803	21.55	5	5	［25］
SIRs-HEHAMP	HEHAMP	0.72	36.29	0.44	60	This work

图5 （a） HEHAMP、（b） Pre-XAD-16、（c）SIRs-HEHAMP浸渍树脂和（d） Sc-SIRs的FT-IR谱图

Fig.5 FT-IR spectra of （a） HEHAMP，（b） Pre-XAD-16，（c） SIRs-HEHAMP and （d） Sc-SIRs

图6 Pre-XAD-16（A）、HEHAMP（B）以及SIRs-HEHAMP浸渍树脂（C）的TG-DSC曲线

Fig.6 TG-DSC curves of Pre-XAD-16 （A）， HEHAMP （B） and HEHAMP impregnated resin（SIRs-HEHAMP）（C）

图7 温度对Sc3+吸附率的影响c（Sc3+）=0.003 mol/L， c（H2SO4）=0.44 mol/L， V=10 mL， m（SIRs-3）=200 mg， reaction time=60 min

Fig.7 Effect of temperature on the Sc3+ adsorption

图8 反应时间对钪吸附量影响的准二级动力学模拟c（Sc3+）=0.005 mol/L， pHini=1.31， V=10 mL， m（SIRs-3）=186 mg

Fig.8 Effect of reaction time on the Sc3+ adsorption modeled by pseudo-second-order model

表2 SIRs-HEHAMP浸渍树脂吸附Sc3+的准一级动力学方程和准二级动力学方程模拟参数

Table 2 Kinetic parameters of the pseudo-first-order kinetic equation and the pseudo-second-order kinetic equation for adsorption of Sc3+ by SIRs-HEHAMP impregnated resin

Pseudo-first-order model parameters			Pseudo-second-order model parameters
q_{（e，cal）}/（mg·g^-1）	k₁/min^-1	R²	q_{（e，cal）}/（mg·g^-1）	k₂/（g·mg^-1·min^-1）	R²
5.366	73.52	0.825	14.49	2.653×10^-3	0.998

图9 SIRs-HEHAMP浸渍树脂对模拟赤泥硫酸浸出液中金属离子的吸附

Fig.9 Adsorption of each metal ions in simulated sulfuric acid leaching solution of red mud by SIRs-HEHAMP impregnated resin

图10 过氧化氢对赤泥硫酸浸出模拟液中金属离子吸附率的影响

Fig.10 Effect of hydrogen peroxide on the adsorption rate of each metal ion in simulated sulfuric acid leaching solution of red mud

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