羧基功能化共价膦腈聚合物用于酸性水体中钪的选择性分离

摘要

发展高效选择性分离技术实现酸性介质中稀土元素钪(Sc)的高效提取,有利于满足工业生产过程对Sc日益增长的需求。吸附法可以有效地简化Sc的提取流程,降低生产成本。然而,现有吸附材料如硅基材料、生物质材料、金属有机骨架材料等在分离酸性介质中的Sc时仍存在效率低、选择性差等缺点,从而限制了其实际应用。因此,针对处理含Sc尾矿等原料时往往需要进行酸处理的实际情况,制备具备更强结合能力的吸附剂,实现酸性介质中Sc(Ⅲ)的高效选择性分离至关重要。本文分别以间苯三酚和2,4,6-三羟基苯甲酸为构筑单元,与六氯三聚膦腈共价交联制备了共价膦腈聚合物(covalent phosphonitrile frameworks,CPF-T)和羧基功能化CPF材料(CPF-T-COOH)。采用扫描电镜、红外光谱、热重、氮气吸附-解吸等分析技术对材料的结构进行表征,并探索了它们作为Sc(Ⅲ)吸附剂的应用潜力。吸附实验结果表明,在溶液pH=2时,CPF-T和CPF—COOH对Sc(Ⅲ)的吸附平衡时间分别为120min和30min,最大吸附容量分别为22.48mg/g和64.63mg/g,在混合离子溶液中的分配系数分别为5.1×10^(2)mL/g和4.0×10^(3)mL/g。值得注意的是,在酸性介质(pH=1~3)中,CPF-T-COOH对Sc(Ⅲ)的吸附率仍维持在95%以上,明显优于CPF-T(低于60%)以及大多数已报道的吸附材料。采用X射线光电子能谱对作用机理进一步分析,结果显示除了CPFT骨架中N/O原子与Sc(Ⅲ)的配位作用外,骨架—COOH上的O原子与-OH基团分别提供了额外的配位作用与离子交换作用,有效地增强了CPF—COOH对Sc(Ⅲ)的吸附亲和力。该研究表明,利用多种功能基团的协同作用是提高吸附剂吸附性能的有效策略之一,所制备的CPF-T-COOH材料性能优异,展现了其作为Sc(Ⅲ)吸附材料的良好应用前景。