酸性溶液中銅離子的萃取分離研究

滕文

【摘 要】銅作為我國經濟發(fā)展的基本原料，成為新時代高端技術發(fā)展的關鍵原料，在科技發(fā)展和經濟建設中起到重要的作用。銅資源日益得到開采和使用，銅離子分離和回收成為學者研究的重點內容。萃取法具有操作簡單，可連續(xù)化進行、雜質分離效率高、產品質量穩(wěn)定、環(huán)境友好等優(yōu)點，成為理想高效的金屬分離回收手段。

【關鍵詞】萃取法；銅分離；溶解度

0 引言

溶劑萃取法在19世紀時就開始運用于無機物質及有機物質的分離。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，起初只運用于貴金屬或稀有金屬間的分離，如鈾、鋯等。20世紀中期很多學者普遍認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的銅產量急速增加。

伴隨著科學技術的進步和銅冶煉技術的快速提高，冶煉金屬銅的生產方法迅速發(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可并投入生產。這種新冶煉工藝可以十分有效的處理各種難選礦物，耗費資金少，生產設備簡單，因此逐漸受到重視并得到普遍應用。

1 銅離子分離的主要技術

1.1 化學沉淀法

化學沉淀法包含了離子水解法和難溶鹽沉淀法兩個方法，即運用離子水解或難溶鹽沉淀法對溶液中金屬進行分離和富集的方法。此法廣泛使用于濕法冶金和工業(yè)實際生產中；在化學選礦中，該法用于浸出液處理。用化學方法處理金屬礦物時，化學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)生產中常用化學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試劑，與廢水中金屬離子發(fā)生反應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試劑產生沉淀的方法稱為化學沉淀法。

1.2 萃取法

近年來，溶劑萃取法逐漸取代了化學沉淀法來分離銅鎳。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)化進行、雜質分離效率高、產品質量穩(wěn)定、環(huán)境友好等優(yōu)點，成為理想高效的金屬分離回收手段。當然溶劑萃取法也有一定的缺點，一些溶劑由于具有揮發(fā)性，當大量使用時，萃取液中會具有潛在的毒性，因此產生的廢棄物需要用特殊的設備才能進行處理凈化。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，一般分為兩個部分：

（1）萃取。首先調節(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入到有機相中，待兩相在分液漏斗中靜置分層后，用分液漏斗分離兩相，進入下一部分。

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

2 溶劑萃取技術的發(fā)展與應用

2.1 萃取技術概述

溶劑萃取，是分離液體混合物的重要方法之一。向目標溶液中加入不能與之互相溶解的萃取劑，從而構成可以共存的水相和有機相的兩相系統(tǒng)，金屬離子根據(jù)溶解度不同各自分別進入在兩液相中，使某些組分較多的從料液相進入萃取相，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，加入到目標溶液中的溶劑稱為萃取劑。目標溶液中待萃取分離的組分被稱為溶質。目標溶液中溶質在萃取劑中的溶解度應該遠大于水相，或溶質可與萃取劑生成“萃合物”，且目標混合物中的其他溶質組分應與萃取劑不互溶。方能實現(xiàn)相轉移。將萃取劑加入混合液中，攪拌使其互相混合，根據(jù)待分離溶質在兩相中溶解度不同分別進入在兩液相中，待兩相在分液漏斗中靜置分層后，用分液漏斗分離兩相。萃取過程的實質就是水相和有機相間的互相傳質過程。

2.2 溶劑萃取技術發(fā)展與應用

溶劑萃取的應用范圍非常廣泛，如濕法冶金、環(huán)保、化工、核燃料、醫(yī)藥等工業(yè)生產中都使用溶劑萃取。隨著高純物質的制備、各類產品的深加工行業(yè)的發(fā)展，為了滿足資源的合理利用和環(huán)境保護的要求，人們對分離技術的要求越來越高。由于實際工業(yè)生產對萃取分離技術的要求越來越嚴格，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)的萃取過程的基礎上，萃取分離操作與其他單元操作過程的耦合、通過化學作用或附加外場來達到強化萃取分離的目的。大力研究耦合技術，從而強化萃取分離的過程，已經成為廣大研究者開發(fā)萃取分離領域的主要方向，并具有良好的發(fā)展前景。值得提及的是，社會經濟的持續(xù)發(fā)展和高新技術的創(chuàng)新驅動為萃取分離技術發(fā)展提供了良好的機遇，加速了萃取分離技術創(chuàng)新和發(fā)展。

3 銅離子萃取分離

3.1 萃取原理

向目標溶液中加入不能與之互相溶解的萃取劑，從而構成可以共存的水相和有機相的兩相系統(tǒng)，金屬離子根據(jù)溶解度不同各自分別進入在兩液相中，使某些組分較多的從料液相進入萃取相，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。通過多級萃取能夠將目標溶液中大部分的待分離溶質萃取分離出來。溶劑萃取法的主要理論依據(jù)就是分配定律，依靠待分離溶質在水相和有機相中的溶解度不同。

通常由于化合物在有機溶劑中的溶解度大于在水相中的溶解度，所以實際生產中可以使用有機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溶液中待分離溶質萃取分離完全。

萃取過程是物理過程還是化學過程往往由萃取體系的組成決定。一般來說，萃取分離過程是因為被萃取物在水相和有機相中的溶解度不同從而實現(xiàn)的，一般都可認為是物理過程。萃取的過程中，若待分離溶質與萃取劑中一種或多種組分發(fā)生化學反應，生成了新的化合物，屬于化學過程。在萃取中由于反應機理及操作方式不同，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

在萃取器中使相強烈攪拌的條件下，傳質以高的速度進行。濕法冶金過程采用的萃取體系，化學反應的速度通常很快。在一定條件下，化學反應決定萃取速度。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才能發(fā)生。作為例子，用MiBK萃取水化了的硝酸鈾酰分子時的溶劑化合物形成就是如此：

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

可以導出考慮了擴散阻力和化學反應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，并且物質的傳遞優(yōu)先的由分子擴散實現(xiàn)（雖然對流傳遞也會發(fā)生）。必須注意到，只有一種物質的分子進行擴散。

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