三辛胺功能化磁性纳米粒子(TOA-PEG-MNPs)在酸性介质中高效吸附铱(IV)的创新研究及其吸附机理分析

本研究针对铱资源稀缺且回收困难的问题，开发了一种三辛胺功能化的磁性纳米粒子(TOA-PEG-MNPs)吸附剂，通过系统研究其在不同pH值、吸附剂浓度、初始Ir(IV)浓度和接触时间条件下的吸附性能，发现最佳吸附条件为pH=1.0、吸附剂用量300 mg·L-1、Ir(IV)浓度10 mg·L-1和接触时间20分钟，最大吸附容量达23.94 mg·g-1，为铱的高效回收提供了新方案。

　　

铱是地壳中最稀有的元素之一，平均丰度仅为0.001 ppm，全球年产量有限。随着工业需求的不断增长，从低品位矿石或二次资源中高效回收铱变得至关重要。传统的铱分离方法包括沉淀法、溶剂萃取法、离子交换树脂法等，但这些方法存在操作复杂、成本高或效率低等问题。近年来，吸附法因其操作简便、成本较低而受到广泛关注，特别是磁性吸附剂，因其易于分离和回收而显示出独特优势。

在此背景下，伊朗伊斯法罕理工大学的研究团队在《Nano Trends》上发表了一项创新研究，他们开发了一种三辛胺功能化的聚乙二醇包覆磁性纳米粒子(TOA-PEG-MNPs)吸附剂，用于从酸性介质中高效去除铱(IV)离子。

研究人员采用共沉淀法制备了PEG包覆的磁性纳米粒子，然后通过三辛胺进行功能化改性。通过X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对吸附剂的晶体结构和化学性质进行了表征。系统研究了初始pH值、吸附剂浓度、初始Ir(IV)浓度和振荡时间对Ir(IV)吸附效率的影响，以及Ir(IV)和干扰离子的解吸行为。

研究发现，TOA-PEG-MNPs对Ir(IV)的吸附在pH=1.0的强酸性条件下效果最佳，吸附过程在20分钟内即可达到平衡。非线性等温线和动力学分析表明，Toth模型和伪二级动力学模型能很好地描述吸附数据，最大吸附容量达到23.94 mg·g^-1。热力学研究表明，Ir(IV)的吸附过程是自发的、吸热的，并通过混合机制进行，其中物理吸附占主导地位，同时存在化学吸附的贡献。测得的活化能为55.40 kJ·mol^-1。

在解吸研究中，使用1.0 M醋酸铵作为解吸剂，Ir(IV)的最大解吸率达到82.0%。干扰离子实验表明，Ni²⁺对铱吸附的影响最小，而Pt⁴⁺的影响最大。当所有离子共存时，铱的吸附产率降至6.0%。

表征分析显示，功能化后的磁性纳米粒子保持了良好的晶体结构，平均粒径为8.18 nm。FT-IR光谱证实了Fe₃O₄的特征峰和三辛胺的成功功能化。

本研究通过多种吸附等温线模型（Langmuir、Redlich-Peterson、Toth和Generalized模型）对实验数据进行了拟合分析，发现Toth模型在所有温度下都能最好地描述实验平衡数据。误差分析表明，Toth模型在不同温度下都显示出最小的误差值。

动力学研究表明，伪二级动力学模型能够最准确地描述Ir(IV)在TOA-PEG-MNPs上的吸附过程，表明化学吸附可能是速率控制步骤。吸附速率常数随着温度升高而增加，进一步证实了吸附过程的吸热性质。

热力学参数计算显示，所有温度下的标准吉布斯自由能变(ΔG°)均为负值，且随着温度升高而变得更负，表明吸附过程是自发的，且自发程度随温度升高而增加。正的焓变(ΔH°)值证实了吸附的吸热性质，而正的熵变(ΔS°)表明固液界面自由度增加。

这项研究的重要意义在于开发了一种新型的磁性纳米粒子吸附剂，能够高效、选择性地从酸性介质中回收铱(IV)。与传统的铱回收方法相比，该方法具有操作简便、吸附速度快、吸附容量高等优点。特别是其磁性特性使得吸附剂能够通过外部磁场快速分离，大大提高了操作效率。

研究人员指出，TOA-PEG-MNPs在强酸性条件下表现出良好的稳定性，经过多次吸附-解吸循环后仍能保持较好的性能，这为其在实际工业应用中的潜力提供了有力支持。该研究不仅为铱的高效回收提供了新方法，也为其他铂族金属的分离回收提供了新思路。

此外，该研究对吸附机理的深入探讨为了解胺类萃取剂与铱配合物之间的相互作用提供了重要见解。研究表明，吸附主要通过离子对相互作用机制进行，其中质子化的三辛胺与[IrCl₆]^2-阴离子形成离子对，从而实现高效吸附。

这项研究的创新之处在于将磁性纳米粒子的独特性能与三辛胺的高选择性相结合，开发出了一种兼具高效吸附性能和易于分离特性的新型吸附材料。该方法不仅适用于铱的回收，还可能推广到其他铂族金属的分离纯化过程中，具有重要的工业应用前景。

总的来说，这项研究为解决铱资源稀缺和回收困难的问题提供了一种新颖、高效的解决方案，展示了功能化磁性纳米材料在贵金属回收领域的巨大潜力，为未来开发更加高效、环保的金属回收技术奠定了重要基础。