无铵法钾磷钨酸盐可持续提取盐湖卤水中铷铯的新策略

《Desalination》：An ammonium-free process for sustainably extracting Rb and Cs from salt lake brine by potassium phosphotungstate

本研究针对传统铵盐吸附剂存在的氨氮污染、流程繁琐等问题，开发了以K3PW12O40为吸附剂的无铵法提取技术。该材料在2分钟内实现吸附平衡，对Rb/Cs吸附量分别达37.71mg/g和60.42mg/g，Rb/K、Cs/K分离系数高达167.95和759.07，经5次循环后吸附容量保持率超85%。该技术为盐湖卤水铷铯提取提供了绿色可持续解决方案。

　　

随着航空航天、国防军工等战略新兴行业对铷(Rb)、铯(Cs)关键金属需求的持续增长，保障这些稀缺资源的供应安全已成为重要课题。传统从矿石中提取铷铯的工艺存在高能耗、环境污染严重等问题，而盐湖卤水作为重要的替代资源，其铷铯储量可观，例如青藏高原盐湖中Rb₂O储量达4.75万吨，相当于大型铷矿床的23.7倍。然而，现有盐湖卤水提取技术面临严峻挑战：主流的铵基杂多酸盐吸附剂在使用过程中会释放铵离子，导致盐湖水体富营养化；同时这类材料吸附性强但解吸困难，需要高浓度硝酸铵-硝酸混合液才能实现80%左右的解吸率，既造成二次污染又影响材料循环使用性能。

在此背景下，中南大学冶金与环境学院吕江江等研究人员在《Desalination》发表研究，提出采用钾磷钨酸盐(K₃PW₁₂O₄₀)作为无铵吸附剂的新策略。该材料具有Keggin型球形笼状结构，其3.4?的孔道尺寸与Rb⁺(3.29?)、Cs⁺(3.29?)的水合离子半径高度匹配，可通过离子交换实现选择性吸附。更重要的是，以钾离子替代铵离子作为可交换阳离子，从源头上消除了氨氮污染问题，且对铷铯的适度亲和力有利于材料再生。

研究人员通过沉淀法合成K₃PW₁₂O₄₀，并采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TG-DTG)等技术对材料进行表征。批量吸附实验系统评估了吸附动力学、等温线、pH适应性等性能，通过电感耦合等离子体(ICP)、X射线光电子能谱(XPS)等手段阐明了吸附机制。

材料表征

通过SEM观察发现K₃PW₁₂O₄₀呈球形结构，分散良好且无明显团聚。XRD图谱显示材料具有典型的Keggin结构特征，衍射峰尖锐表明结晶度良好。氮气吸附-脱附测试显示其比表面积为5.32m²/g，平均孔径为15.36nm，激光粒度分析表明颗粒主要分布在0.5-10μm范围。

吸附性能

动力学研究表明，K₃PW₁₂O₄₀可在2分钟内达到吸附平衡，对Rb和Cs的饱和吸附量分别为37.71mg/g和60.42mg/g。在pH2-10范围内材料保持稳定吸附性能，对Rb/K和Cs/K的分离系数分别达到167.95和759.07，显示出卓越的选择性。即使在模拟实际盐湖卤水的高浓度共存离子环境中，仍能有效选择性吸附铷铯。

解吸与循环性能

采用0.5mol/L硝酸钾溶液作为解吸剂，铷铯的解吸效率分别达到99.8%和85.6%。经过5次吸附-解吸循环后，材料对铷铯的吸附容量仍保持初始值的99.8%和86.7%，远优于传统铵基吸附剂。

吸附机制

通过XPS、FTIR等分析证实，吸附过程主要通过K⁺与Rb⁺/Cs⁺的离子交换实现。Keggin结构中的钾离子与铷铯离子具有相似的离子半径和水合能，使得交换过程具有热力学可行性。

该研究开发的无铵吸附工艺成功解决了传统技术中的氨氮污染和材料再生难题。钾磷钨酸盐不仅原料可从盐湖产业链直接获取，实现资源循环利用，其快速吸附、高效解吸的特性更符合工业化应用需求。这项研究为盐湖卤水铷铯提取提供了绿色可持续的技术路径，对推动盐湖产业绿色低碳转型具有重要战略意义。