碳酸镧的制备及其对磷酸根吸附性能的研究

李东旭，夏一凡，樊世隆，刘彦琳

(辽宁工业大学 化学与环境工程学院，辽宁 锦州 121001)

碳酸镧是21世纪之后才发现的一种用于治疗高磷血症的新型药物，它属于非铝、非钙类磷结合剂[1]。它的磷结合能力等同于铝剂制成的磷结合剂，但是不会对人体造成严重的危害。它的吸附原理是通过释放出镧离子与食物中的磷酸根结合，进而形成一种难溶的复合物，这种复合物会同粪便排出体外，不会在体内积存。又因为碳酸镧对磷也有很好的吸附能力，所以它是一种可长期使用的，对人体没有明显副作用的磷结合剂[2-4]。解佳烨[5]使用氯化镧和碳酸钠反应制备碳酸镧纳米粒子，控制碳酸镧中结合水的数量，研究了含有不用结合水的碳酸镧对磷酸根吸附能力的差异。本论文制备碳酸镧并考察其对磷酸根吸附性能。

1 实验材料及方法

1.1 实验试剂及仪器设备

实验药品：氯化镧、碳酸氢钠、抗坏血酸、钼酸铵、氢氧化钠、盐酸。实验仪器：水浴恒温振荡器SHA-B(上海思而达科学仪器有限公司)、pH计PHS-3C(上海仪电分析仪器有限公司)、可见分光光度计722S(上海仪电分析仪器有限公司)、玻璃仪器(天津玻璃仪器厂)。

1.2 绘制磷酸根溶液标准曲线

配制磷酸盐溶液，稀释梯度浓度，测量吸光度，origin作图拟合，得线性回归方程A=0.0125C+0.0135，相关性R2=0.9972。

1.3 考察各个因素对吸附量的影响

在配制好的一定体积的磷酸盐溶液中，分别加入一定量的碳酸镧，调节pH、温度和时间，然后放入25℃的恒温振荡器中振荡12 h。最后利用钼锑抗分光光度法测量吸光度，进而计算出磷溶液浓度。在此过程中，分别考察磷酸盐初浓度、吸附pH值、吸附温度和时间对吸附量的影响。

2 结果与讨论

2.1 吸附pH值对吸附量的影响

如图1所示，溶液pH值在1～10范围内，吸附剂对溶液中的磷都有一定的吸附能力，但在不同的pH值条件下，吸附剂对磷的吸附量是不同的。在pH值为1～2时吸附量随pH值的增加而增加。在pH值为2～10之间时，随着pH值的增加吸附量逐渐减少。因而吸附最佳pH值为2。

图1 吸附pH值对吸附量的影响

2.2 初始浓度对吸附量的影响

从图2可知，磷初始浓度在15～95 μg/mL范围内，图中曲线上升速率较快，吸附量迅速增大；当磷初始浓度增大到95 μg/mL时，曲线的斜率明显降低，说明此时吸附量的增加幅度很小；当磷初始浓度继续增加时，曲线几乎不再上升，可以近似看成一条水平直线，说明此时已达到最大吸附量，即饱和吸附量为13980.33 μg/g。

图2 初始浓度对吸附量的影响

2.3 吸附温度对吸附量的影响

图3中，这3组曲线均呈上升趋势，说明对于不同浓度的磷酸根溶液，升高温度，吸附量均会增加。从而得出结论：温度越高，越有利于碳酸镧对磷酸根的吸附。

图3 吸附温度对吸附量的影响

2.4 吸附时间对吸附量的影响

图4 吸附时间对吸附量的影响

图4表明吸附量整体随时间的变化呈上升趋势，吸附时间在0～100 min时，图中曲线上升迅速，吸附量迅速增加，吸附速率较快；在100 min后，曲线斜率明显降低，吸附量增加的缓慢。在270 min后，曲线接近为一条直线。

2.5 吸附等温线研究

吸附等温线能够用来描述吸附质在液体和吸附剂之间的分布，将实验所得到的数据进行深入分析，能更好地对吸附机理进行探索来确定吸附过程。将图2的数据分别代入(1)中采用Langmuir等温模型(图5所示)进行拟合和代入(2) Freundlich等温模型(图6所示)进行拟合。

(1)

(2)

从图5 Langmuir等温模型中可以看出，其相关系数R2为0.9971。这表明，用Langmuir吸附等温线能很好的描述碳酸镧对磷酸根的吸附过程。从而说明被吸附的磷酸根分子间没有相互作用，为单分子层吸附。从图6中可以看出，这些实验数据点与拟合的Freundich吸附线有较大偏差，其相关度系数R2仅为0.8958。这说明，用Freundich吸附等温线不能很好地描述碳酸镧对磷酸根的吸附过程。由以上分析可知，碳酸镧对磷酸根的吸附过程属于单分子层吸附。

图5 Langmuir等温模型

图6 Freundlich等温模型

2.6 吸附动力学研究

为了描述碳酸镧和磷酸根之间相互作用的反应级数和碳酸镧吸附过程的控制机理，将相关数据分别代入伪一级动力学方程和伪二级动力学方程进行计算。将图4的数据带入(3)中得到一系列数据点进行线性拟合得到伪一级动力学方程(图7)；将图4的数据代入式(4)中得到数据点进行线性拟合得到伪二级动力学方程(图8)。通过以上拟合分析分析所得到的相关数据被列于表1。

(3)

图7 伪一级动力学方程

通过图7和图8可以看出，伪二级动力学模型更加适宜描述碳酸镧吸附磷酸根的吸附动力学。由表1动力学模型拟合的相关系数可以看出，伪一级动力学线性拟合曲线的相关系数R2为0.9488，线性相关性一般；伪二级动力学方程的线性拟合曲线的相关系数R2为0.9997大于0.999，线性相关性较好，说明化学吸附是决速步骤；综上所述，伪二级动力学方程可以很好的反映碳酸镧对磷酸根的动力学吸附过程。

图8 伪二级动力学方程

表1 动力学模型拟合相关参数

3 结论

(1)在选定的pH值范围1～10内，碳酸镧吸附剂对磷酸根都有吸附效果，当pH值为2时，吸附效果最好。吸附剂在pH值为2，磷溶液浓度为95 μg/mL时的最大吸附量为13980.33 μg/g。

(2)通过计算结果表明吸附等温方程符合Langmuir吸附等温方程，说明吸附为单分子层吸附；动力学方程符合伪二级动力学方程，说明化学吸附为决速步骤。