Fe(Ⅲ)离子表面印迹材料的制备及其从稀土中去除杂质离子性能的基础研究

【摘要】稀土素有工业“黄金”之称，是一组同时具有电、磁、光、以及生物等多种特性的元素，是信息技术、生物技术、能源技术等高科技术领域和国防建设中的重要基础材料。稀土元素的原子结构相似、物理化学性质接近，使得它们经常紧密结合并共生于相同矿物中，因此，稀土元素彼此间的分离以及其与伴生杂质金属元素的分离过程十分困难。Fe（Ⅲ）离子是稀土元素中主要的杂质元素，为适应众多高科技领域的需要，需要从稀土中除去Fe（Ⅲ）杂质，使稀土元素得以纯化。本研究旨在高度提纯稀土金属元素，应用了离子表面印迹技术，制取了性能良好的表面印迹微粒，深入研究了印迹材料对Fe（Ⅲ）离子的识别选择性与结合亲和性，探索了印迹材料从稀土离子中去除Fe（Ⅲ）离子的性能，以本研究中所制备的Fe（Ⅲ）离子印迹材料作为固相萃取剂，能极大地提升稀土除杂纯化的效率。因此本研究结果在提升稀土产品的品质方面有重要的科学意义。首先，使用表面带有氨基的偶联剂对活化后的硅胶实施表面改性，将氨基引入硅胶表面，从而获得改性硅胶AMPS-SiO2，，然后使改性硅胶微粒表面的氨基与溶液中的铈盐构成氧化-还原引发体系，引发功能单体对苯乙烯磺酸钠（SSS）在已制得的改性硅胶表面进行接枝聚合，最终制得接枝微粒PSSS/SiO2。研究考察了接枝聚合反应主要反应条件对接枝度的影响，从而确定了反应的最佳条件：采用滴加引发剂溶液（铈盐+硫酸）的加料方式，反应时间为12h，温度为50℃，单体浓度为14wt%。此条件下接枝微粒PSSS/SiO2的接枝度可达17.3g/100g。在此基础上考察了接枝微粒PSSS/SiO2对Fe（Ⅲ）离子和稀土金属离子的吸附特性，研究表明，凭借离子交换作用，接枝微粒对重金属离子和稀土离子均可产生强的吸附作用。接着以SSS为功能单体，N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）为表面离子印迹反应的交联剂，Fe3+离子为模板，在pH=2的条件下，采用接枝聚合与印迹过程同步进行的方式，制得了Fe（Ⅲ）表面印迹材料IIP-PSSS/SiO2。以两种稀土金属离子(La3+和Pr3+)为对比离子，通过静态法和动态法两种离子吸附检测法，研究考察了材料IIP-PSSS/SiO2对Fe（Ⅲ）识别与结合性能。实验结果表明，IIP-PSSS/SiO2对Fe3+离子具有特异的选择吸附性和良好的结合亲和性，材料同时具有良好的洗脱性能，以氯化钠（0.1mol/L盐酸混合液）溶液作为洗脱液，在29个床体积时能达到98.5%的解析率。另外研究表明，在制备印迹材料时，在SSS与Fe3+的物质摩尔量比达到3:1，SSS与MBA的物质摩尔量比达到6:1时，材料对Fe3+达到最佳选择吸附效果。最后，采用上面的方法制得表面带有氨基的改性硅胶AMPS-SiO2。将功能单体甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）采用NH2-S2O82-还原氧化体系，接枝于活化硅胶表面，制取微粒PHEMA/SiO2；以5-氯甲基-8-羟基喹啉（CHQ）为试剂（Na2CO3为缚酸剂），将8-羟基喹啉（HQ）基团键合在接枝微粒PHEMA/SiO2上，实现了大分子PHEMA的8-羟基喹啉功能化转变，制得了功能接枝微粒HQ-PHEMA/SiO2，然后，在水溶液中，以Fe（Ⅲ）离子为模板，二氯乙醚为交联剂，实施对硅胶微粒表面的高分子链HQ-PHEMA的表面印迹，制取了Fe3+离子的硅胶表面印迹材料IIP-HQP/SiO2。以两种稀土金属离子(La3+和Pr3+)为对比离子，通过静态法和动态法两种离子吸附检测法，研究考察了材料IIP-PSSS/SiO2对Fe（Ⅲ）识别与结合性能。实验结果表明，IIP-PSSS/SiO2对Fe3+离子具有特异的选择吸附性和良好的结合亲和性，印迹材料IIP-HQP/SiO2也具有良好的解吸性能，以0.5mol/L的盐酸溶液为洗脱液，在10个床体积时能达到98.6%的解析率。通过大量实验确定在制备印迹材料时，HQ基团与二氯乙醚投料比为3:1，印迹效果最佳。
【作者】胡伟民；
【导师】高保娇；
【作者基本信息】中北大学，应用化学，2014，硕士
【关键词】离子印迹聚合物；硅胶；对苯乙烯磺酸钠；甲基丙烯酸羟乙酯；铁离子；稀土离子；

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