离子交换-配位协同驱动作用下ZrP@D001H对铟(III)的高选择性吸附

doi:10.7503/cjcu20260123

摘要/Abstract

摘要：

采用原位生长法制备了磺化聚苯乙烯球负载α-磷酸锆复合材料(ZrP@D001H), 并将其应用于模拟废弃液晶显示器(LCDs)及闪锌矿酸浸液中In(III)的选择性回收, 系统考察了溶液pH值对吸附性能的影响, 开展了吸附动力学、等温线与热力学研究, 评价了材料的选择性吸附能力及循环再生性能. 结果表明, 在 pH＝1.0~4.0范围内, ZrP@D001H对In(III)的最大吸附容量达228.46 mg/g; 吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温模型, 且为自发吸热熵增过程. 在模拟闪锌矿及LCD浸出液体系中, 材料对In(III)的分配系数(K_d)分别达8751和6383 mL/g, 显著高于共存金属离子, 表现出优异的选择性识别能力. 动态吸附实验中, 在床层高度1.5 cm、流速1.5 mL/min、初始浓度50 mg/L条件下, 穿透点床体积数（BV）达2583. 经过8次吸附-脱附循环后, 材料仍保持90%以上的初始吸附容量. 机理研究结果表明, ZrP@D001H对In(III)的吸附遵循“离子交换-配位协同”机制. 本研究为关键金属铟的资源化回收提供了兼具高选择性与稳定性的新型材料及技术基础.

关键词: α-磷酸锆, 磺化聚苯乙烯球, 铟回收, 动态吸附, 协同机制

Abstract:

A sulfonated polystyrene sphere-supported α-zirconium phosphate composite（ZrP@D001H） was prepared using an in⁃situ growth method and applied for the selective recovery of indium（III） from simulated acid leachates derived from waste liquid crystal displays（LCDs） and sphalerite. The effect of solution pH value on adsorption performance was systematically investigated， and adsorption kinetics， isotherms， and thermodynamics were evaluated， along with the selective adsorption capacity and regeneration performance of the material. The results demonstrated that ZrP@D001H achieved a maximum adsorption capacity of 228.46 mg/g for In（III） within the pH value range of 1.0—4.0. The adsorption process followed the pseudo-second-order kinetic model and the Langmuir isotherm ^{model， and was characterized as spontaneous， endothermic， and entropy-driven. In the simulated leachate systems of sphalerite and LCDs， the distribution coefficients（K_d） of the material for In（III） reached 8751 mL/g and 6383 mL/g， respectively， significantly higher than those for coexisting metal ions， indicating excellent selective recognition capability. In dynamic adsorption experiments， under conditions of a bed height of 1.5 cm， a flow rate of 1.5 mL/min， and an initial concentration of 50 mg/L， the breakthrough volume reached 2583 bed volumes（BV）. After eight adsorption-desorption cycles， the material retained over 90% of its initial adsorption capacity. Mechanistic studies revealed that the adsorption of In（III） onto ZrP@D001H follows a synergistic ion-exchange and coordination mechanism. This study provides a novel material with both high selectivity and stability， laying a technical foundation for the resource recovery of the critical metal indium.}

Key words: α-zirconium phosphate, Sulfonated polystyrene sphere, Indium recovery, Dynamic adsorption, Synergistic mechanism

中图分类号:

O647.3

TrendMD:

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图/表 11

Fig.1 SEM images of D001H(A, B) and ZrP@D001H(C—E) and EDS spectrum(F) and the elemental mappings of S(G), O(H), Zr(I) and P(J) distributions of the ZrP@D001H cross⁃section

Fig.2 XRD patterns of D001H, SD⁃9, ZrP@D001H and ZrP@SD⁃9(A), TG curves(B), N2 adsorption⁃desorption isotherms(inset: pore size distribution)(C) of D001H and ZrP@D001H and FTIR spectra of SD⁃9, D001H and ZrP@D001H(D)

Fig.3 Existing forms of In(III) in aqueous solution at different pH(A), effect of acidity on the adsorption of In(III) with α⁃ZrP, D001H and ZrP@D001H(B)[mass of adsorbent=50 mg, volume=100 mL, initial In(III) concentration=125 mg/L, pH=1.0—4.0, at 293 K for 24 h] and Zeta potential of D001H, ZrP, and ZrP@D001H at different pH values(C)

Fig.4 Pseudo⁃first⁃order model fits(A), pseudo⁃second⁃order model fits(B) and intraparticle diffusion model fits(C) for the adsorption of In(III) with α⁃ZrP, D001H and ZrP@D001HMass of adsorbent=50 mg， volume=100 mL， initial In（III） concentration=125 mg/L， pH=4.0， 293 K.

Fig.5 Langmuir and Freundlich isotherm fittings for In(III) adsorption on D001H and ZrP@D001H(A), maximum adsorption capacity of ZrP@D001H for In(III) at different temperatures(293, 308, 323 and 338 K)(B)

Fig.6 Distribution coefficient Kd of different competing ions in simulated sphalerite(A) and LCD(B) leaching solution system

Fig.7 Reusability performance of ZrP@D001H over multiple adsorption⁃desorption cycles(A) and XRD patterns of ZrP@D001H after different cycles of adsorption⁃desorption(B)

Fig.8 Thomas model fitting of the breakthrough curves for In(III) adsorption on ZrP@D001H（A） Effect of bed height（0.6， 0.9， 1.2 and 1.5 cm）；（B） effect of flow rate（1.0， 1.5 and 2.0 mL/min）；（C） effect of initial In（III） concentration（50， 100 and 150 mg/L）.

Fig.9 SEM(A) and SEM⁃EDS elemental mapping(B—F) images of the ZrP@D001H cross⁃section after In(III) adsorption

Fig.10 In(III) adsorption performance before and afterSD⁃9 and D001H loading α⁃ZrP

Fig.11 O1s XPS of D001H, α⁃ZrP and ZrP@D001H before and after In(III) adsorption

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