氨基膦酸酯功能化碳材料对钍的选择性电吸附性能研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0084

无机盐工业 ›› 2024, Vol. 56 ›› Issue (12): 42-50.doi: 10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0084

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氨基膦酸酯功能化碳材料对钍的选择性电吸附性能研究

权家园¹^,²^,³(), 付春燕¹^,², 邓必成¹^,², 黄亚斌¹^,², 况王强¹^,², 邝圣庭¹^,²^,³(), 廖伍平¹^,²^,³^,⁴()

1.中国科学院赣江创新研究院材料与化学研究所，江西赣州 341119
2.中国科学院江西稀土研究院稀土材料与化学研究所，江西赣州 341119
3.中国科学技术大学稀土学院，安徽合肥 230026
4.中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室，吉林长春 130022

收稿日期:2024-02-19 出版日期:2024-12-10 发布日期:2024-03-20
通讯作者: 邝圣庭（1991— ），男，博士，副研究员，主要从事湿法冶金；E-mail： stkwong@gia.cas.cn。
廖伍平（1975— ），男，博士，研究员，主要从事有色金属冶金；E-mail： wpliao@gia.cas.cn。
作者简介:权家园（1999— ），男，硕士研究生，主要从事电吸附；E-mail： jyquan21@gia.cas.cn。
基金资助:
中国科协青年人才托举工程项目(2022QNRC001);江西省“双千计划”项目(JXSQ2020101005);赣州市“揭榜挂帅”科技项目(赣市科发［2022］57号);赣州市科技计划项目(2022CXRC9671);赣州市“苏区之光”高层次创新团队项目(GZSQZG202301018)

Study on selective electrosorption of thorium by carbon material containing aminophosphonate functional group

QUAN Jiayuan¹^,²^,³(), FU Chunyan¹^,², DENG Bicheng¹^,², HUANG Yabin¹^,², KUANG Wangqiang¹^,², KUANG Shengting¹^,²^,³(), LIAO Wuping¹^,²^,³^,⁴()

1.Institute of Materials and Chemistry，Ganjiang Innovation Academy，Chinese Academy of Sciences，Ganzhou 341119，China
2.Institute of Rare Earth Materials and Chemistry，Jiangxi Institute of Rare Earths，Chinese Academy of Sciences，Ganzhou 341119，China
3.School of Rare Earths，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China
4.State Key Laboratory of Rare Earth Resource Utilization，Changchun Institute of Applied Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022，China

Received:2024-02-19 Published:2024-12-10 Online:2024-03-20

摘要/Abstract

摘要：

针对高纯稀土中微痕量放射性元素钍的分离去除，以氨基化的碳纳米管（CNT-N）为基底，制备了氨基膦酸酯功能化碳电极材料（CNT-P）。采用高分辨场发射扫描电子显微镜（SEM）、比表面分析仪、X射线光电子能谱分析仪（XPS）、热重分析仪（TGA）、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）和电化学工作站等对CNT-P的形貌、组成和电化学性能进行表征和分析。研究了溶液介质、pH、电压、钍离子的初始浓度（c₀）等因素对钍吸附性能的影响。探讨了CNT-P对钍与稀土离子的吸附选择性，考察了CNT-P的再生循环使用性能。结果表明：CNT-P同时包含介孔和大孔结构，其比表面积、孔容和平均孔径分别为111.6 m²/g、0.85 cm³/g和30.13 nm；CNT-P在盐酸溶液中对钍的最大电吸附容量达219 mg/g；电压为3.5 V时，钍与稀土离子的分离系数均大于10；经5次吸附-解吸循环后，CNT-P对钍的吸附容量是初次吸附的87%，并基本保持稳定。该电极材料对于稀土中微痕量钍的高效去除具有良好的应用前景。

关键词: 碳电极材料, 钍, 稀土, 电吸附, 分离

Abstract:

To separate and remove trace thorium from rare earths，a carbon electrode material（CNT-P） was prepared by modifying aminated carbon nanotubes（CNT-N） with phosphonate.The morphology，composition and electrochemical properties of CNT-P were analyzed by scanning electron microscope（SEM），surface area analyzer，X-ray photoelectron spectroscopy（XPS），thermogravimetric analyzer（TGA），Fourier transform infrared spectrometer（FT-IR） and electrochemical workstation.The effects of solution medium，pH，voltage and the initial thorium concentration on the adsorption of thorium were studied.The adsorption selectivity of CNT-P toward thorium and rare earths was discussed.The regenerative recycling performance of CNT-P was examined.The results indicated that CNT-P was a mesoporous and macroporous structure combined electrode material，with a BET specific surface area of 111.6 m²/g，a pore volume of 0.85 cm³/g and an average pore size of 30.13 nm.The maximum electrosorption capacity of CNT-P towards thorium reached 219 mg/g in hydrochloric acid solution.The separation factors for Th/REs were higher than 10 at voltage of 3.5 V.After 5 cycles of adsorption-desorption，the adsorption capacity of CNT-P toward thorium maintained 87% as compared with its initial adsorption and basically kept stable.Therefore，CNT-P showed a promising application prospect for the efficient removal of micro-trace thorium from rare earth earths.

Key words: carbon electrode, thorium, rare earths, electrosorption, separation

中图分类号:

TQ127.1

权家园, 付春燕, 邓必成, 黄亚斌, 况王强, 邝圣庭, 廖伍平. 氨基膦酸酯功能化碳材料对钍的选择性电吸附性能研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(12): 42-50.

QUAN Jiayuan, FU Chunyan, DENG Bicheng, HUANG Yabin, KUANG Wangqiang, KUANG Shengting, LIAO Wuping. Study on selective electrosorption of thorium by carbon material containing aminophosphonate functional group[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2024, 56(12): 42-50.

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表1

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参考文献 40

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时间/ min	吸附容量/（mg·g^-1）
时间/ min	CNT-N-盐酸	CNT-P-盐酸	CNT-P-硫酸	CNT-P-硝酸
30	1.2	3.1	3.5	3.2
60	2.9	7.0	7.2	4.7
90	4.3	11.5	10.5	6.4
120	5.4	16.2	13.2	7.1
150	6.8	19.7	15.4	7.8
180	7.8	24.3	18.3	8.6
210	9.2	27.2	20.1	9.4
240	10.1	36.0	23.5	10.1
270	10.8	38.2	25.1	11.0
300	11.2	39.8	26.0	12.1

时间/min	吸附容量/（mg·g^-1）	去除率/%
30	1.28	54.2
60	1.57	62.3
90	1.68	65.0
120	1.73	69.8
600	1.80	72.9

元素	C_吸附前/ （mg·L^-1）	C_吸附后/ （mg·L^-1）	吸附容量/（mg·g^-1）			β_Th/RE
元素	C_吸附前/ （mg·L^-1）	C_吸附后/ （mg·L^-1）	3.0 V	3.5 V	4.0 V	3.0 V	3.5 V	4.0 V
Th	6.03	4.66	51.52	60.41	70.37
La	5.85	5.84	6.78	4.63	7.05	7.16	12.07	9.77
Gd	5.80	5.79	5.38	3.77	4.31	9.19	15.31	15.67
Lu	5.99	5.82	1.75	3.24	8.88	9.18	17.86	7.38

循环次数	吸附容量/ （mg·g^-1）	解吸率/ %	Q_i /Q₁×100%
1	101.30	81.1	100
2	105.10	90.1	104
3	92.22	96.5	91
4	86.02	97.1	85
5	88.30	97.7	87

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