基于稀土有机框架材料的尺寸选择结晶分离稀土元素

发布时间：2019-01-09 11:54

【摘要】：稀土材料由于具有优良的光、电、磁、催化、超导等功能,因此有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略地位。但稀土元素共存是制约稀土产业发展的瓶颈。传统的稀土分离方法具有成本高、效率低、周期长、环境污染大等诸多问题。当务之急是寻找一种操作简单、性能优良、高效快捷的分离方法,提高资源利用率。本论文选用奥沙拉秦为有机配体、正三价稀土离子Ln(III)为金属中心,通过水热反应制备了13种稀土金属有机框架(Ln-MOFs,MOFs=metal organic frameworks)材料。由于Ln-MOFs材料在结晶过程中对稀土离子半径的改变极其敏感,因此构建的13种Ln-MOFs材料可呈现出四种不同的结构,能成功地将稀土元素分离。在此基础上,本论文又设计混合实验进一步探究它们的分离效果。本论文主要分为以下几部分:(1)以奥沙拉秦为氧供给配体,以三价稀土离子镧、铈、镨为金属中心,通过溶剂热法合成了三种稀土有机框架材料。由于这三种稀土有机框架材料具有相同的晶胞参数,我们称之为Ln-1-MOFs。(2)以奥沙拉秦为氧供给配体,以三价稀土离子钕、钐、铕为金属中心,通过溶剂热法合成了三种稀土有机框架材料。由于这三种稀土有机框架材料具有相同的晶胞参数,我们称之为Ln-2-MOFs。(3)以奥沙拉秦为氧供给配体,以三价稀土离子钆、铽、镝、钬为金属中心,通过溶剂热法合成了四种稀土有机框架材料。由于这三种稀土有机框架材料具有相同的晶胞参数,我们称之为Ln-3-MOFs。(4)以奥沙拉秦为氧供给配体,以三价稀土离子铒、铥、镥为金属中心,通过溶剂热法合成了三种稀土有机框架材料。由于这三种稀土有机框架材料具有相同的晶胞参数,我们称之为Ln-4-MOFs。(5)对稀土分离来说,分离程度和分离效率极其重要。为进一步探索MOFs材料通过选择性结晶分离稀土元素的分离程度和分离效率,本论文分别从Ln-1-MOFs,Ln-2-MOFs,Ln-3-MOFs和Ln-4-MOFs中各挑选一个金属参与混合分离实验的设计。首先,本论文设计了三组两种金属混合的平行实验。在三组平行实验中,以两种混合金属(摩尔比1:1)代替原本单一的金属,与摩尔量减为原来二分之一的奥沙拉秦进行溶剂热反应。对反应后的产物进行测试,发现只有半径较小的金属参与结晶;其次,本论文又设计了两组三种金属混合的平行实验。在两组平行实验中,以三种混合金属(摩尔比1:1:1)代替原本单一的金属,与摩尔量减为原来三分之一的奥沙拉秦进行溶剂热反应。同样发现MOFs材料优先选择与半径较小的金属进行结晶;最后,本论文设计了一组四种金属混合的实验。以四种混合金属(摩尔比1:1:1:1)代替原本单一的金属,与摩尔量减为原来四分之一的奥沙拉秦进行溶剂热反应,仍然发现只有半径最小的金属能够在混合体系中优先生成MOFs材料。这些混合体系中的分离实验都说明通过MOFs材料选择性结晶分离稀土元素有规可循,它总是优先选择与半径较小的金属进行结晶,从而达到分离的目的。这也是“镧系收缩,稀土离子半径逐渐减弱,稀土配合物稳定常数逐渐增强”单向变化规律的体现。
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【学位授予单位】：东华理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O614.33

【参考文献】