DOI: 10.11817/j.ysxb.1004.0609.2020-36375
3,5-二硝基水杨酸改性硅胶脱除稀土料液中的铝
杨 洋1，李金辉1，高 岩2，徐志峰1，王瑞祥1
(1. 江西理工大学 冶金与化学工程学院，赣州 341000；
2. 河南省冶金研究所有限责任公司，郑州 450053)
摘 要：针对离子吸附型稀土矿浸出液中铝元素含量高、对稀土后续分离影响大的问题，本研究以3,5-二硝基水杨酸(DNS)作为有机配体，以硅胶作为基体材料，通过化学合成3,5-二硝基水杨酸化学键合硅胶进行吸附除铝研究。结果表明：当3,5-二硝基水杨酸与Al3+的配位比为1:1、溶液pH=3.5、3,5-二硝基水杨酸改性硅胶用量为2 g时，溶液中Al3+去除率达90%以上，稀土几乎无损失。采用紫外吸收的方法对机理进行研究，结果显示稀土料液中的Al3+通过取代3,5-二硝基水杨酸分子中羟基上的H+与其形成络合物，进而实现稀土与铝的分离。由吸附动力学研究可知，3,5-二硝基水杨酸改性硅胶对Al3+的吸附符合二级吸附动力学模型，其R2为0.98813。
关键词：稀土；除铝；3,5-二硝基水杨酸；改性硅胶；选择性配位
文章编号：1004-0609(2020)-02-0447-09 中图分类号：TF821 文献标志码：A
稀土作为当今世界高科技产品不可缺少的基本元素，因其具有优良的光、电、磁等特性而得到广泛的应用[1]。离子吸附型稀土矿又称风化壳淋积型稀土矿，是一种特殊的稀土矿种，于20世纪 60 年代末期首先在我国江西省被发现大量存在，其后在广东、湖南等地均有发现[2]。其主要成因是含稀土的花岗岩、火山岩等经一系列地质运动和长期风化形成黏土矿物，而其中的稀土元素以离子形态依靠静电力作用吸附于黏土矿物表面[3-5]。离子型稀土矿多采用原地浸出的方法，其浸出液中稀土浓度低、浸出液体积大并含有Al3+、Fe3+、Mg2+等杂质离子，不利于稀土的回收利用与分离[6]。由于铝的赋存状态复杂，使之在很多情况下与镧系元素的分离系数随组分的变化而变化；其次，铝和稀土的性质很相似，再加上铝具有两性，通常很难将其从稀土浸出液中有效除去，从而增加了后续稀土元素的分离难度，导致含铝高的稀土精矿无法有效开发[7-8]。
目前国内外从稀土料液中除铝主要采用中和水解法、碱沉淀法、草酸沉淀法和萃取法等几种方法。中和水解法除铝分离效果较差，应用于高浓稀土料液时稀土损失量大，且所得Al(OH)3沉淀呈胶体状，不易过滤[9]；碱法(氢氧化钠)和酸法(草酸)除铝的工艺效果较好，但草酸沉淀法适用范围小，碱沉淀法除铝效果低，并且成本较高，对环境有一定污染[10]；萃取法应用普遍，以环烷酸作为萃取剂，对高铝稀土料液进行萃取除铝，效果明显，选择性高，但萃取过程易发生乳化现象，导致工艺流程复杂、操作要求高，在实际除铝过程中受到一定的限制[11]。另外，许延辉等[12]采用直接向稀土料液中加络合剂除铝的方法，简单易操作，但铝的去除率较低。随着科技水平的不断发展，稀土的应用越来越广泛，人们对于稀土的用量及纯度要求越来越高，高效脱除稀土料液中的铝以充分利用有限的稀土资源的需求变得越来越迫切。
离子交换树脂、活性炭、氧化铝、硅胶等固体材料可用来吸附脱除汞、钼、硅、铝等多种元素，但不同的重金属离子对这些吸附材料的亲和力不同[13]。鲁雪梅等[14]制备的新型锰氧化物-吸附树脂复合材料(Mn-SD300)可吸附除去水中的Cd2+和Cu2+，吸附量大，选择性高；伍喜庆等[15]采用改性活性炭吸附除金的方法，选择性高，效果明显，几乎可以完全吸附除去混合液中的Au3+；饶品华等[16]提出氧化铝吸附去除水体中重金属(铬、砷和铜)的方法，在中性环境下，氧化铝对3种重金属可同时具有较好的去除效果；FAN等[17]制备的二甲酚橙功能化硅胶可选择性分离富集8种金属离子中的汞(Ⅱ)，简单快速，分析成本低，选择性高，并可多次重复使用。部分有机配体能与铝离子形成稳定络合阴离子，若将有机配体固定于固体材料如阴离子交换树脂、硅胶上，随后对铝进行吸附，可取得较好的分离效果。而硅胶颗粒均匀，耐大多数有机溶剂和酸性溶液洗涤，长期存放性质不变，并且硅胶表面有大量的硅羟基可以进一步通过化学反应进行有机官能团修饰等优点，是理想的固相萃取材料；改性硅胶对多种重金属离子都有较好的吸附能力，已广泛应用于重金属离子的分离和富集等方面[18-21]。
因此，本研究选择硅胶作为基底，将有机配体3,5-二硝基水杨酸(DNS)化学键合于硅胶上，通过3,5-二硝基水杨酸改性硅胶对稀土料液中的Al3+进行吸附去除，并对相关机理和动力学进行详细研究，以期研究成果不但可为稀土料液高效除铝提供技术支持和理论参考，进一步推动相关产业的技术进步，也可为其他相关研究提供借鉴与参考。
1 实验
1.1 实验原料
由于稀土元素间性质相似，本论文以镧作为稀土代表元素，以含有Al3+、La3+的混合溶液作为研究对象。实验所用3,5-二硝基水杨酸化学键合硅胶按以下步骤进行制备。
1) 硅胶的活化：取74~150 mm的硅胶用6 mol/L的盐酸回流活化，随后清洗至中性，在干燥箱120 ℃温度条件下干燥12 h，转入干燥器贮存备用。
2) 氨基化硅胶的制备：于250 mL的圆底烧瓶中加入100 mL甲苯、10 g备用硅胶、10 mL氨基化试剂3-氨丙基三乙氧基硅烷，在75 ℃下回流搅拌12 h，反应结束后依次用甲苯、酒精、乙醚淋滤洗涤，随后在80 ℃下真空干燥24 h，得氨基化硅胶。
3) 终产品的制备：于250 mL的平底烧瓶中依次加入100 mL THF，10 g改性后硅胶，1 g 3,5-二硝基水杨酸，1 g N,N-二环己基二亚胺（DCC)，放入磁子，室温下反应一天，产物依次用4 mol/L HCl和去离子水淋滤洗涤，直至流出液吸光度与空白洗涤剂几乎相同为止，在30 ℃下真空干燥得到修饰3,5-二硝基水杨酸后的功能硅胶。
1.2 实验方法
实验以3,5-二硝基水杨酸改性硅胶作为吸附分离载体，以含有Al3+、La3+的混合溶液作为研究对象，在溶液中加入改性功能硅胶，调节溶液pH为一定值进行吸附除铝，其工艺流程如图1所示。
图1 功能硅胶的吸附除铝工艺
Fig. 1 Adsorption aluminum removal process of functional silica gel
3,5-二硝基水杨酸是一种淡黄色结晶性粉末，由于分子中带有磺基等亲水基团，因此较易溶于水。水溶液中，3,5-二硝基水杨酸能与Al3+形成稳定的水溶性络合阴离子，其反应如式(1)所示：
(1)
本研究采用紫外可见分光光度法对3,5-二硝基水杨酸与Al3+、La3+的配位反应进行研究，指导后续吸附除铝研究的进行。
1.3 分析方法
实验采用EDTA容量法检测稀土的浓度，铬天青S分光光度法测定Al3+的浓度，紫外分光光度计测定紫外光谱。
2 结果与讨论
2.1 3,5-二硝基水杨酸与铝、镧的配位
2.1.1 溶液pH值对3,5-二硝基水杨酸分子结构的影响
3,5-二硝基水杨酸分子结构具有一个苯环，其在紫外可见光谱段将出现明显的吸收峰。由式1可知，3,5-二硝基水杨酸与Al3+发生配位反应受到溶液pH值的影响，利用紫外分光光度法对3,5-二硝基水杨酸在不同pH值下存在的状态进行考察。实验在室温下分别配制浓度为0.1 mmol/L、pH值分别为2~6的3,5-二硝基水杨酸溶液，以去离子水作为参比溶液，使用紫外分光光度计对溶液进行检测，所得紫外吸收光谱如图2所示。
图2 不同pH值下3,5-二硝基水杨酸的紫外吸收光谱
Fig. 2 Ultraviolet absorption spectra of DNS at different pH values
由图2可知，3,5-二硝基水杨酸溶液在紫外下所形成的谱图在pH值由2向6变化的过程中，3,5-二硝基水杨酸在pH=2时存在216 nm、334 nm两个吸收峰，随着pH值的增加，其中216 nm处吸收峰逐渐向215 nm处偏移，而334 nm处吸收峰逐渐向337 nm处偏移。
选取334 nm处吸收峰出峰位与溶液pH值变化的关系进行作图，可得到图3。
图3 3,5-二硝基水杨酸溶液在334 nm处吸收峰波长随溶液pH值的变化
Fig. 3 Variation of absorption peak wavelength of DNS solution at 334 nm with solution pH value
由图3可知，在pH=2~4的条件下，334 nm处的紫外吸收形成波峰出峰位不变，当溶液pH值达到4后，334 nm处吸收峰开始偏移至337 nm处，结合反应式(1)可知，溶液pH值达到4后，随着溶液pH值的升高，3,5-二硝基水杨酸上羧基及羟基上的H+将缓慢脱去，有利于反应的进行。
2.1.2 3,5-二硝基水杨酸与Al3+配位反应的研究
由反应式(1)可知，pH值对配位反应具有较大的影响，首先利用紫外分光光度法对pH值的影响进行研究。在室温下配制pH值分别为2~6的0.1 mmol/L 3,5-二硝基水杨酸与0.1 mmol/L铝的混合溶液，以等浓度、等pH值的3,5-二硝基水杨酸作为参比溶液进行检测，所得紫外吸收光谱如图4所示。
图4 不同pH值下3,5-二硝基水杨酸和Al3+混合溶液的紫外吸收光谱
Fig. 4 Ultraviolet absorption spectra of DNS and Al3+ mixed solution at different pH values
由图4可知，3,5-二硝基水杨酸和Al3+混合溶液在紫外下所形成的谱图随溶液pH值的变化而变化，在pH值从2增大到6的过程中，pH=2时无明显吸收，这是因为pH值过小，Al3+无法从3,5-二硝基水杨酸上置换羧基及羟基上的H+，即无法与铝发生络合。随着pH值达到2以后，逐渐出现219 nm、241 nm两个小吸收峰及323 nm较大的紫外吸收峰，且该三处吸收峰的吸光度随溶液pH值的变化而变化。
选取323 nm处吸收峰的吸光度与溶液pH值在3~6范围内变化的关系进行作图，由3,5-二硝基水杨酸与Al3+混合溶液在紫外下所形成的谱图变化情况可得到图5。
由图5可知，随着溶液pH值的升高，在pH=3~4范围内，219 nm处吸光度不断升高，而在pH=4~6范围内，219 nm处吸光度逐渐减小。这主要是因为在pH=3~4范围内，随着溶液pH值的升高，羟基及羧基脱去H+的能力增强，有利于配位反应的正向进行；而
在pH=4~6范围内，3,5-二硝基水杨酸与Al3+的配位形态发生变化，且溶液pH值过高将导致溶液中的OH-浓度增大，其与Al3+结合能力增强，从而对配位反应产生影响。
由于溶液pH值过高会导致RE3+与溶液中OH- 结合形成稀土氢氧化物沉淀，因此，采用3,5-二硝基水杨酸键合硅胶吸附除铝时，溶液pH值不能过高，结合3,5-二硝基水杨酸与Al3+配位反应受pH值影响情况，实验采用等摩尔法对pH=4时的配位比进行研究，控制溶液中两种物质总浓度为0.2 mmol/L，改变两种物质浓度比，随后以等浓度、等pH值的3,5-二硝基水杨酸溶液作为参比进行检测，所得结果如图6所示。
图5 3,5-二硝基水杨酸和Al3+混合溶液在323 nm处的吸光度随溶液pH值的变化
Fig. 5 Variation of absorbance of DNS and Al3+ mixed solution at 323 nm with solution pH value
图6 等摩尔法测定3,5-二硝基水杨酸与Al3+配位比的紫外吸收光谱
Fig. 6 Ultraviolet absorption spectra of coordination ratio of DNS vs Al3+ by equimolar method
由图6可知，随着3,5-二硝基水杨酸与Al3+的摩尔比的变化，紫外吸收谱图中位于323 nm左右吸收 峰的峰高会随之改变；依据3,5-二硝基水杨酸和Al3+混合溶液在紫外下所形成的谱图变化，以在323 nm处吸光度作为纵坐标，以3,5-二硝基水杨酸与Al3+的浓度比作为横坐标可得到图7。
由图7可知，当3,5-二硝基水杨酸与Al3+浓度比为1:1时，其在323 nm处吸光度最大，因此可证明在pH值为4时，3,5-二硝基水杨酸与Al3+在水溶液体系中配位比为1:1。
2.1.3 3,5-二硝基水杨酸与La3+配位反应的研究
由于稀土元素间性质相近，本文采用La3+溶液模拟稀土离子溶液，而La3+与3,5-二硝基水杨酸之间配位反应同样受到pH值的影响，实验在室温下配制pH值分别为3~5的0.1 mmol/L 3,5-二硝基水杨酸和0.1 mmol/L La3+的混合溶液，随后以等浓度、等pH值的3,5-二硝基水杨酸作为参比溶液，使用紫外分光光度计对溶液进行检测，所得结果如图8所示。
图7 3,5-二硝基水杨酸和Al3+混合溶液在323 nm处的吸光度随3,5-二硝基水杨酸与Al3+的浓度比的变化
Fig. 7 Variation of absorbance of DNS and Al3+ mixed solution at 323 nm with concentration ratio of DNS vs Al3+
图8 不同pH值下3,5-二硝基水杨酸和La3+混合溶液的紫外吸收光谱
Fig. 8 Ultraviolet absorption spectra of DNS and La3+mixed solution at different pH values
由图8可知，0.1 mmol/L 3,5-二硝基水杨酸与0.1 mmol/L La3+在pH=3~4的范围内，其混合溶液检测得到的紫外吸收谱中无明显吸收峰，说明在该浓度及pH值范围内La3+与3,5-二硝基水杨酸反应能力较弱。当混合溶液pH值由4继续增大时，逐渐在366 nm处出峰，因此，pH值大于4后3,5-二硝基水杨酸与La3+配位反应能力明显增强。
除pH值对3,5-二硝基水杨酸与La3+配位反应进行程度有影响外，La3+的浓度同样对反应的正向移动具有较大的影响。实验同时利用紫外分光光度法对pH=3.5下3,5-二硝基水杨酸与La3+配位反应进行研究，3,5-二硝基水杨酸浓度固定为0.1 mmol/L，改变溶液中La3+浓度，随后使用紫外分光光度计对溶液进行检测，以等浓度、等pH值的3,5-二硝基水杨酸作为参比，所得结果如图9所示。
图9 不同浓度比下3,5-二硝基水杨酸和La3+混合溶液的紫外吸收光谱
Fig. 9 Ultraviolet absorption spectra of DNS and La3+ mixed solution at different concentration ratios
由图9可知，pH=3.5的条件下，随着La3+浓度的增加，3,5-二硝基水杨酸和La3+混合溶液在299 nm、364 nm处有明显吸收峰，并且吸收峰的高度随着La3+浓度的增加而增大，说明增大La3+浓度有利于反应的进行。
2.1.4 3,5-二硝基水杨酸与Al3+、La3+混合溶液配位反应的研究
由上述研究证明，3,5-二硝基水杨酸与Al3+、La3+都能发生配位反应，但其配位能力存在差异，为进一步探索两种金属离子与3,5-二硝基水杨酸配位反应情况，实验利用紫外分光光度法对pH=3.5下3,5-二硝基水杨酸与Al3+以及La3+的反应能力进行研究。配制pH=3.5的3,5-二硝基水杨酸、La3+和Al3+混合溶液，将3,5-二硝基水杨酸及Al3+浓度固定为0.1 mmol/L，不断增加溶液中La3+浓度，随后使用紫外分光光度计对溶液进行检测，以等浓度、等pH值的3,5-二硝基水杨酸溶液为参比，所得结果如图10所示。
图10 3,5-二硝基水杨酸、Al3+和La3+溶液随La3+浓度变化的紫外吸收光谱
Fig. 10 Ultraviolet absorption spectra of DNS, Al3+ and La3+mixed solution at different La3+ concentrations
对比图6与图10可知，在混合溶液的紫外吸收光谱在323 nm左右紫外吸收峰出峰位与3,5-二硝基水杨酸与Al3+配位反应所形成紫外吸收光谱相近。随着La3+浓度的增大，吸收峰出现偏移，但La3+浓度在9 mmol/L范围内，紫外吸收谱中吸收峰峰形偏移较小。在该范围内主要发生3,5-二硝基水杨酸与Al3+的配位反应，而此时混合溶液中La3+浓度为Al3+浓度的 90倍，证明在溶液pH=3.5条件下3,5-二硝基水杨酸与Al3+的配位能力强于3,5-二硝基水杨酸与La3+的配位能力。但是随着La3+浓度的升高，La3+与3,5-二硝基水杨酸的配位能力将逐渐强于Al3+与3,5-二硝基水杨酸的配位能力。
2.2 pH对3,5-二硝基水杨酸硅胶吸附分离稀土与铝能力的影响
由上述对3,5-二硝基水杨酸改性硅胶吸附能力的研究可知，pH值对3,5-二硝基水杨酸改性硅胶吸附铝离子的能力具有较大的影响。实验分别配制50 mL不同pH值的Al3+浓度为0.1 g/L、La3+浓度为27.8 g/L的溶液，投入2 g 3,5-二硝基水杨酸硅胶在50 ℃下吸附14 h，所得结果如图11所示。
由图11可知，在pH=2~3.5的范围内，随着pH值的增加，吸附后溶液中Al3+浓度不断减小，而La3+基本不出现损失。当溶液pH值为3.5时，Al3+去除率超过90%，而La3+几乎不损失。由于继续增大溶液的
pH值至4或4以上将导致Al(OH)3的生成，因此3,5-二硝基水杨酸化学键合硅胶吸附除铝的pH值选择3.5较为适宜。
图11 pH值对3,5-二硝基水杨酸硅胶吸附分离稀土与铝的影响
Fig. 11 Effect of pH value on adsorption and separation of rare earth and aluminum by DNS-modified silica gel
2.3 3,5-二硝基水杨酸硅胶用量对分离稀土与铝效果的影响
3,5-二硝基水杨酸改性硅胶用量对吸附Al3+的能力具有较大的影响，因此开展试验研究3,5-二硝基水杨酸硅胶用量对分离稀土与Al3+效果的影响。分别配制50 mL pH=3.5的Al3+ (0.1 g/L)、La3+ (27.8 g /L)的混合溶液，加入不同质量3,5-二硝基水杨酸改性硅胶在50 ℃下吸附14 h，结果如图12所示。
图12 3,5-二硝基水杨酸硅胶用量对分离稀土与铝效果的影响
Fig. 12 Effect of amount of DNS-modified silica gel on separation of rare earth and aluminum
由图12可知，随着3,5-二硝基水杨酸硅胶用量的增加，Al3+去除率不断增大，当3,5-二硝基水杨酸硅胶用量为2 g时，Al3+去除率超过90%，而La3+的损失率为0，继续增加3,5-二硝基水杨酸硅胶用量，Al3+去除率增加较小。因此，修饰有机配体后的硅胶用量为2 g时即可较好的去除镧、铝溶液中的Al3+。
2.4 3,5-二硝基水杨酸改性硅胶吸附Al3+的动力学研究
以pH=3.5、Al3+浓度0.1 g/L的硫酸铝溶液作为对象研究修饰有机配体后的硅胶对Al3+的吸附动力学。在50 ℃下进行振荡吸附，所得结果如图13所示。
图13 3,5-二硝基水杨酸改性硅胶吸附Al3+动力学曲线
Fig. 13 Kinetics curve of adsorption of Al3+ by DNS- modified silica gel
由图13可知，在吸附时间为0 h至12 h范围内，3,5-二硝基水杨酸化学键合硅胶对Al3+的吸附量增加明显，进行12 h后，Al3+的吸附量无明显增加。因此，在振荡吸附12 h后，吸附基本达到饱和。
依据以上数据，将硅胶快速吸附阶段的动力学数据按照一级动力学方程、二级动力学方程进行拟合，结果如图14、图15及表1所示。
图14 一级动力学方程拟合曲线
Fig. 14 First-order kinetic equation fitting curve
表1 吸附动力学参数
Table 1 Adsorption kinetic parameters
图15 二级动力学方程拟合曲线
Fig. 15 Second-order kinetic equation fitting curve
根据相关系数R2可知，二级动力学模型优于一级动力学模型，而Q1、Q2与实际平衡吸附量差异都较小，因此二级动力学模型更适用于3,5-二硝基水杨酸硅胶吸附Al3+的动力学，其动力学方程如式(2)所示。
(2)
式中：Qt为时间在t时的吸附量，mg/g；t为吸附时间，min。
3 总结
1) 采用3,5-二硝基水杨酸改性硅胶脱除稀土料液中的铝。当溶液pH=3.5、3,5-二硝基水杨酸与Al3+/RE3+的配位比为1:1，3,5-二硝基水杨酸硅胶用量为2 g时，Al3+去除率超过90%，而La3+损失率几乎为0。
2) 在上述条件下，3,5-二硝基水杨酸与Al3+的配位能力强于3,5-二硝基水杨酸与La3+的配位能力，因此可以选择性地从稀土料液中吸附Al3+，使之很好地与RE3+分离。
3) 3,5-二硝基水杨酸改性硅胶对Al3+的吸附动力学研究表明，该吸附过程符合二级吸附动力学模型，其R2为0.98813。
4) 3,5-二硝基水杨酸改性硅胶可以有效脱除稀土料液中的铝，该方法操作简单、选择性好，吸附剂可循环使用，经济环保。
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Removal aluminum from RE leaching solution using 3,5-dinitrosalicylic acid modified silica gel
YANG Yang1, LI Jin-hui1, GAO Yan2, XU Zhi-feng1, WANG Rui-xiang1
(1. School of Metallurgy and Chemical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;
2. Henan Institute of Metallurgy Co., Ltd., Zhengzhou 450053, China)
Abstract: In view of the high content of aluminum in leaching solution obtained by ion-adsorption rare earth mining and the great influence on the subsequent separation of rare earths, silica gel as the basic material was modified with 3,5-dinitrosalicylic acid (DNS) as the organic ligand through chemical synthesis, which was used for adsorption and aluminum removal from leaching solution of RE. The results show that when the coordination ratio of 3,5-dinitrosalicylic acid to Al3+ is 1:1 , the solution pH value is 3.5 and the amount of the modified silica gel with DNS is 2 g, the Al3+ removal rate is over 90%, and the RE loss is 0% nearly. The results of UV spectrum analysis show that Al3+ can form a complex through replacing of H+ on the hydroxyl group of the DNS, which achieves the separation of Al3+ and RE3+. According to the study of adsorption kinetics, the adsorption of aluminum ions by modified silica gel with DNS conforms to the second-order adsorption kinetics model, and its R2 is 0.98813.
Key words: rare earth; aluminum removal; 3,5-dinitrosalicylic acid; modified silica gel; selective coordination
Foundation item: Project(GJJ160593) supported by the Department of Education of Jiangxi Province, China; Project(20161ACG70010) supported by the Department of Science and Technology of Jiangxi Province，China; Project(2017KY17) supported by the Postdoctoral Science Fund of Jiangxi Province，China
Received date: 2019-02-26; Accepted date: 2019-07-02
Corresponding author: XU Zhi-feng; Tel: +86-797-8312047; E-mail: xzf_l@163.com
(编辑 何学锋)
基金项目：江西省教育厅项目(GJJ160593)；江西省科技厅项目(20161ACG70010)；江西省博士后基金资助项目(2017KY17)
收稿日期：2019-02-26；修订日期：2019-07-02
通信作者：徐志峰，教授，博士；电话：0797-8312047；E-mail：xzf_l@163.com
