用P507從高濃度氯化鈷溶液中萃取分離鈷鎳試驗研究

于 凱，艾崢嶸，謝宏偉，劉吉利，寧志強

(1.東北大學 冶金學院，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.東北大學 材料各向異性與織構教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

高純鈷(99.99%～99.995%，4～4.5 N)具有特殊結構和性能，在功能薄膜、磁傳感、磁記錄濺射靶材，高純試劑及標樣配置等領域被廣泛應用[1-3]，而超高純鈷(99.999%，5N)在大型集成電路制備中的應用更是被高度關注[4-5]。超高純鈷主要是通過在高濃度氯化鈷電解質水溶液中電解精煉高純鈷陽極而制得[2,4,6]，因此，研究凈化、提純高濃度氯化鈷電解質水溶液有重要意義[3]。

1 試驗部分

1.1 主要儀器及原料(試劑)

儀器：HH-6型數字恒溫水浴鍋(常州國華電器有限公司)，202型電熱恒溫干燥箱(北京市永光明醫療儀器廠)，SHZ-D(Ⅲ)型循環水式真空泵(鞏義市于華儀器有限責任公司)，HY-2A型調速多用振蕩器(常州金壇良友儀器有限公司)，FA2204B型電子天平(上海精科天美科學儀器公司)，JJ-1型精密電動攪拌器(常州國華電器有限公司)，TAS-990型原子吸收分光光度計(北京普析通用儀器有限公司)，PHS-25型pH計(上海儀電科學儀器股份有限公司)。

原料(試劑)：氯化鈷，氯化鎳，EDTA，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；氨水，氯化銨，分析純，天津市永大化學試劑有限公司；氫氧化鈉，紫脲酸銨，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；濃鹽酸，分析純，沈陽經濟技術開發區試劑廠；鈉皂化P507(2-乙基己基膦酸單-2-乙基己基脂)，分析純，重慶康普化學工業股份有限公司；磺化煤油，工業級，鄭州勤實科技有限公司。

1.2 試驗原理及方法

P507與磺化煤油按比例混合并充分攪拌，制備成有機相；有機相中加入不同體積堿液，充分攪拌混合均勻，完成對萃取劑皂化[25]。皂化反應式為

(1)

式中：H2A2—P507；NaHA2—鈉皂化后的P507。

稱取一定質量氯化鈷和氯化鎳粉末，用去離子水配制Co2+、Ni2+、Cl-質量濃度分別為10.00、0.10、12.17 g/L的水相溶液。

配制濃度為0.1 mol/L的鹽酸溶液用于調節水相初始pH。

在20 ℃條件下，取40 mL、不同pH的水相溶液，按一定體積比(Vo/Va)與皂化有機相一起置于分液漏斗中，并置于振蕩器上勻速振蕩一定時間，之后靜置分相一定時間，分相后得到萃余液(水相)和負載有機相。萃取反應式為

(2)

式中：Men+—金屬離子；Me(HA2)n—萃合物。

1.3 分析測試

用原子分光光度計測定Ni2+質量濃度，用EDTA滴定法[12]測定Co2+質量濃度。

2 試驗結果與討論

2.1 振蕩時間對鈷、鎳萃取率的影響

溫度20 ℃，有機相皂化率50%，P507體積分數10%，Vo/Va=1/1，水相初始pH=3.50，振蕩后靜置分相時間10 min，振蕩時間對鈷、鎳萃取率的影響試驗結果如圖1所示。

圖1 振蕩時間對鈷、鎳萃取率的影響

由圖1看出：隨振蕩時間延長，鈷、鎳萃取率提高；溶液中鈷、鎳濃度差異較大，所以鈷在萃取10 min后優先達到平衡，而鎳達到平衡需要30 min。根據有機相中鈷、鎳濃度比，確定振蕩時間以15 min為宜。

2.2 靜置分相時間對鈷、鎳萃取率的影響

溫度20 ℃，有機相皂化率50%，P507體積分數10%，Vo/Va=1/1，水相初始pH=3.50，混合振蕩時間15 min，振蕩后靜置分相時間對鈷、鎳萃取率的影響試驗結果如圖2所示。

圖2 靜置分相時間對鈷、鎳萃取率的影響

由圖2看出，靜置分相時間對鈷、鎳萃取率影響不大。靜置的主要目的是實現有機相與水相的分層，隨靜置時間延長，兩相分層明顯。綜合考慮，選擇靜置分相時間以10 min為宜。

2.3 溫度對鈷、鎳萃取率的影響

有機相皂化率50%，P507體積分數10%，Vo/Va=1/1，水相初始pH=3.50，混合振蕩時間15 min，靜置分相時間10 min，溫度對鈷、鎳萃取率的影響試驗結果如圖3所示。可以看出：隨溫度升高，鈷、鎳萃取率均提高。溫度較低時，有機相流動性差，會導致兩相混合不均勻，影響萃取反應；磺化煤油的閃點為65 ℃，所以萃取時溫度不宜過高。綜合考慮，確定萃取適宜溫度為20 ℃，即常溫下進行即可。

圖3 溫度對鈷、鎳萃取率的影響

2.4 Vo/Va對鈷、鎳萃取率的影響

溫度20 ℃，有機相皂化率50%，P507體積分數10%，水相初始pH=3.50，混合振蕩時間15 min，靜置分相時間10 min，相比Vo/Va對鈷、鎳萃取率的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 Vo/Va對鈷、鎳萃取率的影響

由圖4看出：隨Vo/Va增大，參與反應的萃取劑相對含量增大，故對鈷、鎳的萃取率升高；但隨Vo/Va增大，體系黏度增大，兩相分相時間加長，分離效果變差。綜合考慮，確定萃取時Vo/Va以1/1為宜。

2.5 P507體積分數對鈷、鎳萃取率的影響

溫度20 ℃，有機相皂化率50%，Vo/Va=1/1，水相初始pH=3.50，混合振蕩時間15 min，靜置分相時間10 min，P507體積分數對鈷、鎳萃取率的影響試驗結果如圖5所示。可以看出：在Vo/Va一定條件下，隨P507體積分數增大，鈷、鎳萃取率提高。P507體積分數過大時，體系會發生乳化現象，不利于萃取進行，綜合考慮，確定P507體積分數以15%為宜。

圖5 P507體積分數對鈷、鎳萃取率的影響

2.6 有機相皂化率對鈷、鎳萃取率的影響

溫度20 ℃，P507體積分數10%，Vo/Va=1/1，水相初始pH=3.50，混合振蕩時間15 min，靜置分相時間10 min，有機相皂化率對鈷、鎳萃取率的影響試驗結果如圖6所示。

圖6 有機相皂化率對鈷、鎳萃取率的影響

由圖6看出：隨有機相皂化率增大，鈷、鎳萃取率提高。有機相皂化率過高，體系黏度急劇增大，流動性變差，兩相分離效果變差。綜合考慮，確定有機相皂化率以65%為宜。

2.7 正交試驗

選擇溫度、Vo/Va、有機相皂化率、P507體積分數4因素，采用L25(54)方案，進行正交試驗，因素、水平及結果見表1。固定振蕩時間15 min，靜置分相時間10 min，初始水相pH=3.50。

由表1看出：影響鈷、鎳萃取分離的因素主次關系為Vo/Va>有機相皂化率>溫度>P507體積分數；最佳條件為水相初始Vo/Va=1/1，有機相皂化率65%，溫度20 ℃，P507體積分數20%；該條件下，鈷、鎳得到有效分離，分離比達2 940/1。

表1 正交試驗因素、水平及結果

3 結論

用鈉皂化P507作萃取劑從高濃度氯化鈷溶液中萃取分離鈷、鎳，效果較好；最佳條件下，鈷、鎳分離比為2 940/1，鈷與鎳得到有效分離。