稀土萃取分離1

第七章稀土萃取別離第一節(jié)概述溶劑萃取別離：是指含有被別離物質(zhì)的水溶液與互不混溶的有機(jī)溶劑接觸，借助于萃取劑的作用，使一種或幾種組分進(jìn)入有機(jī)相，而另一種組分仍留在水相，從而到達(dá)別離的目的。1937年，當(dāng)時有人研究氯化稀土在水溶液和不相混溶的有機(jī)溶劑醇、醚或酮之間的分配，1949年成功地用磷酸三丁酯〔TBP)從硝酸溶液中萃取Ce4+,使它于三價稀土別離，Ce(NO3)4的萃取率達(dá)98～99％。六十年代后期在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了P204萃取別離稀土元素。溶劑萃取法具有處理容量大，反響速度快，別離效果好的優(yōu)點(diǎn)，它已成為國內(nèi)外稀土工業(yè)中別離提取稀土元素的主要方法，也是別離制備高純單一稀土化合物的主要方法之一。第二節(jié)TBP、P350等中性絡(luò)合萃取體系中性絡(luò)合萃取體系是無機(jī)物萃取體系中最早被發(fā)現(xiàn)和利用的，也是最早用于稀土元素提取別離的萃取劑體系。50年代至70年代初，對TBP、P350等萃取稀土的研究很活潑，很有成效。一、TBP、P350萃取機(jī)理及萃取性能〔一〕萃取機(jī)理中性磷氧..萃取劑萃取稀土是通過磷酰氧上未配位的孤電子對〔>P=O:)與中性稀土化合物中的稀土離子配位，生成配位鍵的中性萃取絡(luò)合物，其萃取三價硝酸稀土的反響為：RE3++3NO3-+3TBP(O)=RE(NO3)3·3TBP(O)式中TBP也可以是P350等其它中性磷氧萃取劑。TBP萃取Ce4+的反響為：Ce4++4NO3-+2TBP(O)=Ce(NO3)4·2TBP(O)

紅外光譜研究說明：P350萃取稀土?xí)r，磷氧鍵參與絡(luò)合，而與磷氧碳堿無關(guān)。表6－1P350-煤油與稀土離子飽和時萃合物的組成RE3+[P350]mol/L原始水相[RE3+](O)mol/L萃合物中[RE3+]mol/LpHP350:RE3+La3+2.231.20571~20.72913.06:1La3+1.491.32564~50.44583.00:1Nd3+2.231.03781~20.80582.76:1Eu3+2.231.05781~20.70843.15:1Gd3+2.230.99121~20.74203.01:1Dy3+2.231.27851~20.71803.10:1萃取劑分子中C-P鍵增加，即C-O-P鍵減少時，由于誘導(dǎo)效應(yīng)增強(qiáng)，磷酰氧原子(P=O)的電子云密度增大，給電子能力增強(qiáng)，極性增大。中性磷氧萃取劑的結(jié)構(gòu)決定其反響官能團(tuán)的lewis堿性、結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)和溶解度，從而直接影響其萃取能力和別離效果。(二〕影響萃取性能的主要因素1.萃取劑結(jié)構(gòu)的影響12.36.004.2549.47435.821157Bu3PO3.612.951.967.782206.601190Bu2P(O)OBu0.4190.6130.2910.28418.57.411224BuPO(OBu)20.0440.0500.0260.00831.488.481269(BuO)3PODYDPmDCeDThDU結(jié)構(gòu)表6－2中性磷化合物的lewis堿性對萃取性能影響從上表可知，作為極性參數(shù)的紅外光譜P=O鍵特征頻率的值降低，萃取稀土元素的分配比增大；電負(fù)性的越小，取代基團(tuán)拉電子能力越弱，磷酰氧原子（P=O)的電子云密度越大，分配比增大。2.稀土離子性質(zhì)的影響在其它條件一定時，萃合物的穩(wěn)定性決定于稀土離子的電荷與半徑，一般有如下規(guī)律：〔1〕稀土離子價數(shù)越高，萃合物越穩(wěn)定，分配比越大?！?〕同價稀土離子，半徑越小，萃合物越穩(wěn)定，分配比D越大。3.無機(jī)酸的影響中性磷氧萃取劑在HNO3介質(zhì)中萃取稀土的根本反響如下：RE3++3NO3-+3TBP(O)=RE(NO3)3·3TBP(O)萃取平衡常數(shù)：設(shè)水相中稀土離子以RE3+形式存在，則分配比在發(fā)生萃取稀土反響的同時，體系內(nèi)還發(fā)生萃取HNO3,生成HNO3·TBP萃合物的反響。所以：[TBP](O)=[TBP]-3[RE(NO3)3·3TBP](O)-[HNO3·TBP](O)由于萃取體系存在著稀土與硝酸的競爭萃取，HNO3對D的影響較為復(fù)雜。在高酸度下，分配比、別離系數(shù)都增大。所以，實(shí)際生產(chǎn)中，用TBP在HNO3介質(zhì)中萃取別離稀土都是在高酸度下進(jìn)行。如果有鹽析劑存在，因體系中[NO3-]從開始就比較高，以HNO3競爭萃取為主，分配比一開始就下降，如果酸度繼續(xù)升高，D值將上升。硝酸濃度對P350萃取稀土元素的影響與TBP的情況不盡相同，總的趨勢是酸度增高，分配比減小。酸度對鑭的分配比影響最明顯，酸度升高，DLa值迅速下降。4.鹽析劑的影響鹽析劑易溶于水，本身不被萃取，也不于水相金屬離子絡(luò)合，它是影響中性磷氧萃取劑萃取性能的主要參數(shù)。鹽析劑的作用如下：〔1〕鹽析劑由于水合作用，吸引了一局部自由水分子，使體系中的自由水分子數(shù)量減少，因而被萃取物在水相中的有效濃度相應(yīng)增加，使分配比增加；〔2〕在有些體系中，當(dāng)鹽析劑陰離子與被萃物陰離子相同時，參加鹽析劑，等于提高了被萃物陰離子的濃度。由于分配表〔D〕正比于其陰離子濃度，D值增加；(3)鹽析劑還能降低水相介電常數(shù)，抑制水相金屬離子的聚合等作用，也有利于萃合物形成，使D值增加。鹽析作用一般隨離子強(qiáng)度增加而增加，常用鹽析劑的鹽析作用按以下次序減少：Al(NO3)3>Fe(NO3)3>Zn(NO3)2>Cu(NO3)3>Mg(NO3)2>Ca(NO3)2>LiNO3>NaNO3>NH4NO3>KNO3這一次序還說明，對于二價離子，過渡金屬離子〔即具有dx結(jié)構(gòu)離子〕比具有d0結(jié)構(gòu)離子鹽析效應(yīng)強(qiáng)，如Cu2+>Mg2+TBP萃取硝酸稀土?xí)r，鹽析劑的影響很明顯。鹽析劑濃度增加，稀土萃取率、分配比增大。在通常情況下鹽析劑還能提高稀土元素的別離系數(shù)。鹽析劑不僅影響P350萃取稀土的分配比和別離系數(shù)，還影響釔在萃取序列中的位置。在6mol/LNH4NO3中，釔在釤或銩的位置，無鹽析劑時，釔在鈰或鐿的位置。5.稀釋劑的影響萃取劑的稀釋劑一般都是采用極性很小的惰性溶劑。稀釋劑雖然不與被萃物直接絡(luò)合，但它影響萃取劑和萃和物的物理性質(zhì)。有時還影響萃取劑的化學(xué)性能，從而影響萃取別離效果。表6-3稀釋劑對TBP萃取硫氰酸Eu(Ⅲ)絡(luò)合物的影響稀釋劑DEu(Ⅲ)稀釋劑DEu(Ⅲ)環(huán)己烷1.84二甲苯0.035正己烷1.75四氯化碳0.021煤油1.72苯0.002環(huán)己醇0.466鄰-二氯苯0.002MIBK0.073氯仿<0.001乙酸丁酯0.037二氯甲烷<0.001從上表數(shù)據(jù)可知，當(dāng)稀釋劑是惰性溶劑時，分配比最大；假設(shè)稀釋劑與萃取劑發(fā)生強(qiáng)烈作用，分配比明顯降低。6.溫度的影響在10℃~60℃的范圍內(nèi)，TBP、P350等中性磷氧萃取稀土元素的分配比，一般隨溫度升高而降低。表6-4分配比與溫度的關(guān)系24.010.12.090.5010.08450℃40.015.22.830.6220.09240℃55.019.93.430.7020.10030℃69.024.94.030.4450.10920℃Lu3+Er3+Gd3+Nd3+La3+離子溫度TBP、P350等中性磷氧萃取劑萃取稀土元素過程中△Ho均為負(fù)值，是放熱反響，所以萃取在低溫下進(jìn)行是有利的，但是，考慮到溫度對萃取劑粘度、分相、乳化等方面的影響，萃取一定在室溫或稍高于室溫下進(jìn)行。7.協(xié)同萃取早在1954年就發(fā)現(xiàn)TBP和噻酚羰基三氟丙酮(TTA)的苯溶劑萃取硝酸釹的分配比D大于單獨(dú)使用該兩種萃取劑的D值之和。這是最早發(fā)現(xiàn)的協(xié)同萃取體系。中性磷氧萃取劑的協(xié)同萃取體系，一般是由中性磷氧萃取劑和酸性螯合萃取劑(TTA,HDEHP等)或中性含氧萃取劑〔亞砜類〕組成。協(xié)同萃取機(jī)理比較復(fù)雜，一般認(rèn)為是由于該兩種萃取劑與被萃取的金屬離子生成更穩(wěn)定的含有兩種配位體的萃合物或萃合物更具有疏水性，因而更容易溶于有機(jī)相。使分配比增大。二、TBP、P350萃取別離稀土元素工藝TBP具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)，在高酸度下〔8~15mol/L)萃取稀土元素的能力隨原子序數(shù)增加而增大，即正序萃取。TBP是第一個被用在工業(yè)上的稀土元素萃取劑。本世紀(jì)50~60年代國內(nèi)外曾用它來提取La、Ce、Y,進(jìn)行Nd、Sm分組，從釤釓富集物中制取純釓，制取鈧等。我國首先合成出P350,并且首先把它應(yīng)用在稀土萃取別離上。與TBP相比，P350在低酸度下對稀土元素有高的萃取率，P350-HNO3體系的應(yīng)用局限在從少鈰混合稀土中別離制取純鑭，從鐠釹富集物中別離鐠、釹，制取高純度氧化鈧等〔一〕鈰的萃取別離工藝用TBP-HNO3體系萃取分離鈰，利用鈰的變價性質(zhì)，分離效果好，產(chǎn)品純度高（CeO2>99.9%).TBP的化學(xué)穩(wěn)定性好，萃取容量大，適合工業(yè)生產(chǎn)。主要缺點(diǎn)是因Ce4+容易被還原，致使收率不穩(wěn)定?！捕宠|的萃取別離工藝38洗滌萃取170%P350La(NO3)3La2O3>99.9~99.99%RE(NO3)3REO~350g/LHNO30.