331树脂高效选择性分离钪锆新策略及其在战略金属纯化中的应用

《Journal of Renal Nutrition》：Highly efficient selective separation of scandium and zirconium by 331 resin

本文系统研究了弱碱性环氧基阴聚交换树脂（331树脂）在HCl介质中对Sc(III)/Zr(IV)的高效分离机制。研究显示在pH 2条件下分离因子（SFSc/Zr）达756.2，饱和吸附容量63.99 mg Sc/g，并通过FT-IR、XPS和DFT验证了胺基（–NH）配位机制。该技术为战略金属纯化提供了商业化可行方案（Thomas模型R2=1），对高端材料生产具有重要价值。

　　

材料

四氯化锆（ZrCl₄，纯度98%）购自麦克林生化科技有限公司（上海）。六水合氯化钪（ScCl₃·6H₂O，纯度99.99%）采购自阿拉丁生化科技有限公司（上海）。钪和锆的标准溶液（1000 mg/L）由有色金属及电子材料国家分析中心提供。弱碱性环氧型阴离子交换树脂（型号331）由江苏苏青集团提供，其物理化学性质见表S1。实验所用盐酸（HCl）、氢氧化钠（NaOH）和氯化钠（NaCl）均为分析纯。

树脂表征

331树脂是一种凝胶型弱碱阴离子交换剂，具有环氧基质和氨基官能团（图1a-b）。浸入水溶液后，树脂会发生溶胀，水分子穿透其聚合物网络，破坏聚合物链间的分子间作用力。这种膨胀在分离链之间产生溶剂可及的间隙空间，形成动态的类孔结构，从而促进离子交换。

结论

本研究利用331树脂在HCl介质（pH 2）中通过Sc与Zr不同的配位行为实现了高选择性分离。与高酸度环境下的吸附相比，温和酸性条件降低了对极端pH调节或耐腐蚀设备的要求，增强了工业适用性。该树脂对Sc(III)的选择性显著高于Zr(IV)，分离因子达756.2，并在5次循环中保持优异的可重复性。吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温线模型，318 K时饱和吸附容量为63.99 mg Sc/g。动态柱实验证明了实际适用性，使用1 mol/L NaCl洗脱液可获得纯度超过99.99%的Sc(III)。Thomas模型完美地预测了研究条件下的柱行为，验证了其固有的Langmuir型吸附动力学和平衡假设（R2=1且χ2较低）。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）分析和密度泛函理论（DFT）计算表明，Sc(III)的吸附是通过与树脂上的胺基（–NH）配位实现的，这些基团作为给电子配体。本研究为战略金属纯化提供了一种商业上可行的高效解决方案，对先进材料生产具有重要意义。