透析膜/氧化石墨烯胶体组合对矿山废水中低浓度稀土离子吸附/解吸规律和机理的研究

In view of the technological bottleneck in high-efficient separation of low concentration rare earth ions in wasterwater from Southern China mines, especially nanoadsorbent-derived repollution extensively existing in adsorptive separation technology, a novel route for adsorptive separation of low concentration rare earth ions has been proposed creatively, which loads grapheme oxide colloid into a dialysis bag to form an adsorption unit based on excellent adsorption capacity of macromolicular grapheme oxide colloid and screening characteristics of dialysis membrane. The project is plan to systematically investigate the effects of adsorption duration, pH, temperature, co-existing ammonium ions, concentration and microstructure of graphene oxide， and pore size of dialysis membrane on adsorption equilibrium, conduct a kinetic and thermodynamic analysis on adsorption process, explore the major factors influencing the desporption,and intensively study adsorption and desorption micro-process of rare earth ions on graphene oxide sheet and chemical mechanism. The project is expected to provide experimental data and theoretical support for the establishment of the repollution-free methodology for separation of rare earth ions based on graphene oxide colloid adsorption combined with dialysis membrane, richen and develop theory of green adsorption and separation of rare earth ions, and also offer theoretical guide and methodological support for recovering rare earth elements from low concentration wastewater. In summary, the research is not only of high academic value but also is of great social significance for efficiently utilizing rare earth resources, preserving ecological environment and promoting sustainable development of rare earth industry.

本项目针对当前南方稀土矿山废水中低浓度稀土离子高效分离技术的瓶颈，特别是应用纳米吸附剂普遍存在的二次污染问题，基于大分子氧化石墨烯胶体的超强吸附功能和透析膜的筛分性能，创造性地提出了氧化石墨烯胶体与透析膜组合用于低浓度稀土离子的吸附分离，拟系统研究时间、pH值、温度、共存NH4+浓度、氧化石墨烯的浓度和微观结构以及透析膜的孔径对吸附平衡的影响，建立吸附过程的热力/动力学模型，同时，研究解吸过程的主要影响因素，并深入研究稀土离透过透析膜在氧化石墨烯上吸附和解吸的微观过程及化学机理，为建立无二次污染的透析膜/氧化石墨烯胶体组合吸附分离低浓度稀土离子的新方法提供实验依据和理论支持，丰富和发展稀土离子的绿色吸附和分离理论，同时也为处理低浓度稀土废水回收稀土的提供理论指导和方法支撑，因此，本课题不仅有较高的学术价值，而且在高效利用稀土资源、保护生态环境、促进稀土行业的可持续发展方面也有重要社会价值。

本项目针对应用纳米吸附剂吸附分离低浓度稀土离子的二次污染问题，基于氧化石墨烯（GO）胶体的超强吸附功能和透析膜的筛分性能，创造性地提出了GO胶体与透析膜组合用于吸附分离低浓度稀土离子，系统研究了时间、pH 值、温度、共存NH4+浓度和GO片径对其吸附性能的影响，建立了吸附过程的热力/动力学模型，同时，研究了脱附过程的主要影响因素以及GO的循环再生性能。本项目还针对GO在吸附过程中的叠合导致其固有活性位不能充分暴露的问题，开展了两方面的系统研究。首先，通过比较GO羧基化前后对稀土离子的吸附性能，建立了GO表面的羧基含量与其对稀土离子吸附容量的关系，明确了GO的主要吸附活性位，并为提高GO吸附性能提供了明确方向。其次，基于对碳纳米管(CNTs)和水合三氧化钨(WO3·2H2O)纳米片在GO基溶胶中的空间位阻效应，大大抑制了GO片在吸附过程中的叠合，大幅度地提高了GO基水溶胶的吸附性能。. 研究表明GO有迄今为止最高的稀土离子吸附容量和良好的循环再生性能，吸附过程符合Langmuir等温吸附和拟二级吸附动力学模型，GO片径小，吸附容量大；GO溶胶对吸附稀土离子性能不受水中共存的NH4+的影响; GO羧基化后，吸附容量增加20%以上；GO与CNTs及WO3·2H2O形成的复合水溶胶后对稀土离子的吸附性能都表现出了显著的协同增强效应，其中CNTs/GO复合水溶胶(MCNTs : MGO=1:6)对Gd(III)的理论最大吸附容量为534.76 mg·g-1，远远高于GO的286.86 mg·g-1。. 本项目的研究不仅为建立无二次污染的透析膜/氧化石墨烯胶体组合吸附分离低浓度稀土离子的新方法提供了实验依据和理论支持，而且也为处理低浓度稀土废水回收稀土的提供了理论指导和方法支撑，既有较高的学术价值，在高效利用稀土资源、保护生态环境、促进稀土行业的可持续发展方面也有重要社会价值。