用N235從鹽酸溶液中萃取Fe3+

劉 葵，成亞飛，韋夢(mèng)梅，蔣卷濤

(1.廣西師范大學(xué) 化學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西低碳能源材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

鐵是一種重要的金屬元素，常伴生于鎳礦、鋅礦、稀土礦等礦石中，因此，很多礦石的浸出液中都含有一定濃度鐵，在提取有價(jià)金屬時(shí)需先除鐵[1]。濕法冶金實(shí)踐中，礦石浸出液中鐵的脫除方法主要有溶劑萃取法和水解沉淀法[2-3]。溶劑萃取法可在較低溫度下進(jìn)行，且可得到純度較高的鐵產(chǎn)品，應(yīng)用較為普遍。常用的萃取劑有酸性萃取劑P507、P204等和堿性萃取劑N235等[3]。P507、P204萃取鐵時(shí)，反萃取時(shí)所需酸度較高；而N235萃取鐵時(shí)，反萃取酸度很低：因此，以N235萃取鐵，生產(chǎn)成本相對(duì)較低。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

N235(≥97%)、磺化煤油，均為分析純，洛陽(yáng)市奧達(dá)化工有限公司。氯化鐵、鹽酸，均為分析純；水為去離子水。

料液：稱取一定質(zhì)量FeCl3·6H2O加水溶解，用鹽酸調(diào)節(jié)溶液pH。

有機(jī)相：33%N235+67%煤油(體積比)混合。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

SHA-B型恒溫振蕩器，PHS-3E型酸度計(jì)，Spectrum Two衰減全反射傅里葉變換紅外光譜儀，MA-1B型卡爾費(fèi)休水分測(cè)定儀。

1.3 試驗(yàn)方法

將有機(jī)相與水相按一定體積比(Vo/Va)置于分液漏斗中，于振蕩器中混合振蕩10 min，靜置、分相后記錄分相時(shí)間；分相完成后分出下層水相及第三相，測(cè)定下層水相pH、Fe3+濃度及第三相體積，計(jì)算Fe3+萃取率和第三相體積分?jǐn)?shù)；測(cè)定有機(jī)相及第三相水分，對(duì)有機(jī)相及第三相進(jìn)行紅外光譜分析。

Fe3+萃取率(E)計(jì)算公式為

(1)

式中：maq—水相中鐵質(zhì)量，g；morg—有機(jī)相中鐵質(zhì)量，g。

第三相體積分?jǐn)?shù)(φ)計(jì)算公式為

(2)

式中：Vthird表示第三相體積，mL；Vorg表示有機(jī)相總體積，mL。

1.4 分析方法

當(dāng)溶液中Fe3+濃度較高時(shí)，采用重鉻酸鉀滴定法測(cè)定；當(dāng)溶液中Fe3+濃度較低時(shí)，采用磺基水楊酸分光光度法測(cè)定[4]。

有機(jī)相中的水分采用卡爾費(fèi)休水分測(cè)定儀測(cè)定。

有機(jī)相的組成及結(jié)構(gòu)采用PerkinElmer公司的Spectrum Two衰減全反射傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)定，用KBr壓片，掃譜范圍400～4 000 cm-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 相比對(duì)萃取的影響

水相FeCl3質(zhì)量濃度0.4 g/L，pH一定，相比Vo/Va對(duì)N235萃取Fe3+的影響試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 Vo/Va對(duì)N235萃取Fe3+的影響

由表1看出：當(dāng)料液pH=0時(shí)，隨Vo/Va增大，F(xiàn)e3+萃取率逐漸降低；Vo/Va=1/1時(shí)，F(xiàn)e3+萃取率達(dá)98.5%，而Vo/Va=5/1時(shí)，F(xiàn)e3+萃取率降至7.3%。這說明:N235優(yōu)先萃取料液中的鹽酸，之后才萃取Fe3+；隨相比增大，水相中鹽酸減少，水相pH升高，當(dāng)水相pH升至超過Fe3+的水解pH時(shí)，F(xiàn)e3+水解生成黃色產(chǎn)物，致使Fe3+萃取率下降；同時(shí)下層水相變成黃色渾濁液。料液pH=2時(shí)，隨Vo/Va增大，下層水相pH升高得更快，因而下層水相由淺色渾濁變?yōu)樯钌珳啙幔藭r(shí)N235對(duì)Fe3+的萃取率很低，F(xiàn)e3+萃取率最高僅為5%。

料液pH=0時(shí)，隨Vo/Va增大，萃取后下層水相由無(wú)色透明變?yōu)辄S色渾濁；萃取后溶液分為三層，中間層為第三相，上層有機(jī)相無(wú)色透明。隨Vo/Va增大，F(xiàn)e3+萃取率下降，第三相體積相應(yīng)減小：由此推測(cè)，N235萃取Fe3+后的萃合物主要集中在第三相。

2.2 料液pH和Fe3+質(zhì)量濃度對(duì)萃取的影響

料液中Fe3+質(zhì)量濃度0.4～2.3 g/L，Vo/Va=3/1，料液pH和Fe3+質(zhì)量濃度對(duì)N235萃取Fe3+的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 料液pH和Fe3+質(zhì)量濃度對(duì)N235萃取Fe3+的影響

2.3 萃合物的組成

2.3.1 有機(jī)相中的氯離子

2.3.2 N235與Fe3+的反應(yīng)

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可以判斷，N235萃取鹽酸溶液中Fe3+的反應(yīng)包括2步：第1步，N235萃取溶液中的HCl，生成R3NH+·Cl-，反應(yīng)式為

(3)

式中：R3N表示N235；R表示CnH2n+1(n=8,10);

(4)

這與Lee等的研究結(jié)果[6]一致。

反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，平衡常數(shù)K的計(jì)算公式為

(6)

分配系數(shù)D的計(jì)算公式為

(7)

于是，K可表示為

(8)

式(8)兩邊取對(duì)數(shù)，得

lgD=xlg[R3NH+·Cl-]+lgK-lg[Cl-]。

(9)

圖2 lgD與lg(c(N235))之間的關(guān)系曲線

2.3.3 萃合物的紅外光譜分析

N235的紅外光譜分析結(jié)果如圖3所示。可以看出：1 095.15 cm-1處的吸收峰是堿性基團(tuán)叔胺基R3N—的特征峰，2 926.2 cm-1處的吸收峰是甲基反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，2 860 cm-1處的吸收峰是亞甲基對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，1 459.2 cm-1處的吸收峰是甲基和亞甲基伸縮振動(dòng)峰[7]。

圖3 N235的紅外光譜分析結(jié)果

1—N235萃取Fe3+后的上層有機(jī)相(料液pH=0，ρ(Fe3+)=0.4 g/L)；2—N235萃取HCl后的上層有機(jī)相(料液pH=0，ρ(Fe3+)=0 g/L)；3—N235萃取Fe3+后的第三相(料液pH=0,ρ(Fe3+)=0.4 g/L)。

2.3.4 有機(jī)相中的水分

料液pH=0，F(xiàn)e3+質(zhì)量濃度0～2.3 g/L，萃取后的負(fù)載有機(jī)相、第三相中水分測(cè)定結(jié)果見表2。

表2 萃取后的負(fù)載有機(jī)相、第三相中水分測(cè)定結(jié)果

萃合物主要集中在第三相，且以乳化物形式存在，因此，工業(yè)生產(chǎn)中必須加入其他溶劑，如仲辛醇等實(shí)現(xiàn)破乳和消除第三相。

3 結(jié)論

以33%N235+67%磺化煤油為有機(jī)相從鹽酸溶液中萃取Fe3+時(shí)，F(xiàn)e3+萃取率隨相比增大、水相pH升高而降低，隨Fe3+濃度升高而升高。水相pH≥1時(shí)，F(xiàn)e3+萃取率較低，部分Fe3+可能以水解產(chǎn)物形式被N235萃取。