滕文

【摘 要】銅作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本原料，成為新時(shí)代高端技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵原料，在科技發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起到重要的作用。銅資源日益得到開采和使用，銅離子分離和回收成為學(xué)者研究的重點(diǎn)內(nèi)容。萃取法具有操作簡單，可連續(xù)化進(jìn)行、雜質(zhì)分離效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，成為理想高效的金屬分離回收手段。

【關(guān)鍵詞】萃取法；銅分離；溶解度

0 引言

溶劑萃取法在19世紀(jì)時(shí)就開始運(yùn)用于無機(jī)物質(zhì)及有機(jī)物質(zhì)的分離。在二戰(zhàn)期間，由于核武器工業(yè)和原子能工業(yè)的發(fā)展，帶動了溶劑萃取法的快速發(fā)展。溶劑萃取用于不同金屬間的萃取與分離，起初只運(yùn)用于貴金屬或稀有金屬間的分離，如鈾、鋯等。20世紀(jì)中期很多學(xué)者普遍認(rèn)為采用溶劑萃取的方法大批量獲得金屬銅離子是行不通的。20世紀(jì)60年代開始，研究發(fā)現(xiàn)獲得多種能夠有效萃取分離銅、鎳離子型的高效率的萃取劑，因此利用萃取的方法生產(chǎn)的銅產(chǎn)量急速增加。

伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和銅冶煉技術(shù)的快速提高，冶煉金屬銅的生產(chǎn)方法迅速發(fā)展，研究推出的浸出分離—萃取—電積這種新型冶煉工藝得到認(rèn)可并投入生產(chǎn)。這種新冶煉工藝可以十分有效的處理各種難選礦物，耗費(fèi)資金少，生產(chǎn)設(shè)備簡單，因此逐漸受到重視并得到普遍應(yīng)用。

1 銅離子分離的主要技術(shù)

1.1 化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法包含了離子水解法和難溶鹽沉淀法兩個(gè)方法，即運(yùn)用離子水解或難溶鹽沉淀法對溶液中金屬進(jìn)行分離和富集的方法。此法廣泛使用于濕法冶金和工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中；在化學(xué)選礦中，該法用于浸出液處理。用化學(xué)方法處理金屬礦物時(shí)，化學(xué)沉淀法主要用來分離凈化和提取溶液中重要的金屬。

工業(yè)生產(chǎn)中常用化學(xué)沉淀法處理含有重金屬的工業(yè)廢水，原理就是向廢水中加入化學(xué)試劑，與廢水中金屬離子發(fā)生反應(yīng)從而生成不溶于水中的鹽類從而成為沉淀，從而分離和回收廢水中金屬離子，凈化廢水。這種在廢水中加入化學(xué)試劑產(chǎn)生沉淀的方法稱為化學(xué)沉淀法。

1.2 萃取法

近年來，溶劑萃取法逐漸取代了化學(xué)沉淀法來分離銅鎳。作為有色金屬的萃取，分離與提純的重要方法，萃取法具有操作簡單，可連續(xù)化進(jìn)行、雜質(zhì)分離效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，成為理想高效的金屬分離回收手段。當(dāng)然溶劑萃取法也有一定的缺點(diǎn)，一些溶劑由于具有揮發(fā)性，當(dāng)大量使用時(shí)，萃取液中會具有潛在的毒性，因此產(chǎn)生的廢棄物需要用特殊的設(shè)備才能進(jìn)行處理凈化。萃取分離中常用萃取劑有：P204，P507，Lix984，N902等。用溶劑萃取法分離銅離子，一般分為兩個(gè)部分：

（1）萃取。首先調(diào)節(jié)溶液的pH，將萃取劑加入含銅溶液中攪拌混合，溶液中的銅離子被萃取進(jìn)入到有機(jī)相中，待兩相在分液漏斗中靜置分層后，用分液漏斗分離兩相，進(jìn)入下一部分。

（2）反萃。在含有銅的有機(jī)相中加入稀硫酸溶液混合攪拌，使得有機(jī)相中的銅離子被反萃進(jìn)入到硫酸溶液中，反萃取液可回收進(jìn)入銅回收系統(tǒng)；反萃后剩余的有機(jī)相可以用來重新萃取銅離子。

2 溶劑萃取技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

2.1 萃取技術(shù)概述

溶劑萃取，是分離液體混合物的重要方法之一。向目標(biāo)溶液中加入不能與之互相溶解的萃取劑，從而構(gòu)成可以共存的水相和有機(jī)相的兩相系統(tǒng)，金屬離子根據(jù)溶解度不同各自分別進(jìn)入在兩液相中，使某些組分較多的從料液相進(jìn)入萃取相，靜置分層后再用分液漏斗使得兩液相分離，這種能實(shí)現(xiàn)混合液分離的操作稱為液液萃取。

在萃取的過程中，加入到目標(biāo)溶液中的溶劑稱為萃取劑。目標(biāo)溶液中待萃取分離的組分被稱為溶質(zhì)。目標(biāo)溶液中溶質(zhì)在萃取劑中的溶解度應(yīng)該遠(yuǎn)大于水相，或溶質(zhì)可與萃取劑生成“萃合物”，且目標(biāo)混合物中的其他溶質(zhì)組分應(yīng)與萃取劑不互溶。方能實(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)移。將萃取劑加入混合液中，攪拌使其互相混合，根據(jù)待分離溶質(zhì)在兩相中溶解度不同分別進(jìn)入在兩液相中，待兩相在分液漏斗中靜置分層后，用分液漏斗分離兩相。萃取過程的實(shí)質(zhì)就是水相和有機(jī)相間的互相傳質(zhì)過程。

2.2 溶劑萃取技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

溶劑萃取的應(yīng)用范圍非常廣泛，如濕法冶金、環(huán)保、化工、核燃料、醫(yī)藥等工業(yè)生產(chǎn)中都使用溶劑萃取。隨著高純物質(zhì)的制備、各類產(chǎn)品的深加工行業(yè)的發(fā)展，為了滿足資源的合理利用和環(huán)境保護(hù)的要求，人們對分離技術(shù)的要求越來越高。由于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)對萃取分離技術(shù)的要求越來越嚴(yán)格，萃取作為“成熟”的基本操作，溶劑萃取分離也面臨著新的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的萃取過程的基礎(chǔ)上，萃取分離操作與其他單元操作過程的耦合、通過化學(xué)作用或附加外場來達(dá)到強(qiáng)化萃取分離的目的。大力研究耦合技術(shù)，從而強(qiáng)化萃取分離的過程，已經(jīng)成為廣大研究者開發(fā)萃取分離領(lǐng)域的主要方向，并具有良好的發(fā)展前景。值得提及的是，社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和高新技術(shù)的創(chuàng)新驅(qū)動為萃取分離技術(shù)發(fā)展提供了良好的機(jī)遇，加速了萃取分離技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。

3 銅離子萃取分離

3.1 萃取原理

向目標(biāo)溶液中加入不能與之互相溶解的萃取劑，從而構(gòu)成可以共存的水相和有機(jī)相的兩相系統(tǒng)，金屬離子根據(jù)溶解度不同各自分別進(jìn)入在兩液相中，使某些組分較多的從料液相進(jìn)入萃取相，將混合液倒入分液漏斗中等到靜置分層后再使得兩液相分離。通過多級萃取能夠?qū)⒛繕?biāo)溶液中大部分的待分離溶質(zhì)萃取分離出來。溶劑萃取法的主要理論依據(jù)就是分配定律，依靠待分離溶質(zhì)在水相和有機(jī)相中的溶解度不同。

通常由于化合物在有機(jī)溶劑中的溶解度大于在水相中的溶解度，所以實(shí)際生產(chǎn)中可以使用有機(jī)溶劑分離回收溶解于水的化合物。往往僅靠一級萃取就能百分百萃取分離水溶液中的化合物是不可能的，必須通過多級萃取方能將目標(biāo)溶液中待分離溶質(zhì)萃取分離完全。

萃取過程是物理過程還是化學(xué)過程往往由萃取體系的組成決定。一般來說，萃取分離過程是因?yàn)楸惠腿∥镌谒嗪陀袡C(jī)相中的溶解度不同從而實(shí)現(xiàn)的，一般都可認(rèn)為是物理過程。萃取的過程中，若待分離溶質(zhì)與萃取劑中一種或多種組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了新的化合物，屬于化學(xué)過程。在萃取中由于反應(yīng)機(jī)理及操作方式不同，除上述清液萃取過程外，又發(fā)展了礦漿萃取、協(xié)同萃取、交換萃取、配合萃取、及共萃取、串級萃取等過程。

3.2 萃取過程的動力學(xué)

在萃取器中使相強(qiáng)烈攪拌的條件下，傳質(zhì)以高的速度進(jìn)行。濕法冶金過程采用的萃取體系，化學(xué)反應(yīng)的速度通常很快。在一定條件下，化學(xué)反應(yīng)決定萃取速度。通常這種情況往往是由于水相中形成配合化合物的速率小于萃取過程的速率時(shí)才能發(fā)生。作為例子，用MiBK萃取水化了的硝酸鈾酰分子時(shí)的溶劑化合物形成就是如此：

UO2（NO3）·6H2O+2MiBKUO2（NO3）2·2MiBK·4H2O+2H2O

可以導(dǎo)出考慮了擴(kuò)散阻力和化學(xué)反應(yīng)阻力的萃取速度方程。從模型可以看出，在分界表面處有一層厚度為δR和δE的薄邊界層，在這些層中濃度發(fā)生急劇變化，并且物質(zhì)的傳遞優(yōu)先的由分子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)（雖然對流傳遞也會發(fā)生）。必須注意到，只有一種物質(zhì)的分子進(jìn)行擴(kuò)散。

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