有色金屬冶金中離子液體的應用探討

何健松

（清遠市正通金屬制品有限公司，廣東 清遠 511500）

有色金屬在能源工業、航空航天、交通等產業部門中發揮著重要作用，屬于基礎性原材料之一。目前，我國社會的構建趨于資源節約型、環境友好型，以往生產有色金屬的方式中有諸多問題存在，為了妥善解決這一系列問題，離子液體順勢誕生。通過離子液體的應用，能夠有效提取并分離有色金屬，可大幅度節省能耗且不會對環境構成太大污染，因而離子液體一誕生便得到了社會普遍關注。

1 離子液體運用簡介

迅速發展的全球工業化背景下，工業各個領域中逐漸應用了更多的重金屬元素，這一過程中難免會出現直接或間接往環境內排放含有重金屬離子廢棄物的情況，這就難免會對自然水體及土壤造成污染，從而導致人類身體健康面臨威脅。所以，有必要對重金屬離子有效分離的方法進行探索。固相分離、液液萃取、液相微萃取、離子交換等方法都能將重金屬離子有效分離，作為傳統方法之一的液液萃取，盡管在萃取率方面有著相當可觀的優勢，然而因萃取過程中涉及多種有機溶劑的使用，大幅度增長了成本，且會二次污染環境，無法將現有環境保護、可持續發展要求滿足[1]。樹脂分離萃取與生物材料盡管屬于綠色化技術，但萃取效率偏低。離子液體的誕生，取代了重金屬離子萃取中使用的有機溶劑，基本上不會污染環境，因而發展為主流技術。離子液體揮發性低，且具備較強的導電性，同時包含電化學窗口寬、離子遷移率高等諸多物理化學特性，所以在分析化學、有機合成、反應催化、電化學等研究中得到廣泛應用。有色金屬冶金過程中離子液體的具體應用過程，pH值、離子液體組成、萃取時間、溫度及金屬離子初始濃度皆會對其應用效果構成影響，故而為促進離子液體應用效果的提高，需合理控制此類影響因素。

2 離子液體制備方法

2.1 兩步合成法

兩步合成法中，首先是叔胺與鹵代烴之間的反應，該反應能夠生成季銨鹵化物，隨后在絡合反應、離子交換、復分解反應及電解法等方法的應用下，轉換鹵素離子，如此即可將目標離子液體的陰離子獲取。通過離子交換法的應用，能夠轉化含有目標陽離子的離子液體前體，從而獲取水溶體，而后在含目標分子陰離子的交換樹脂的運用下，即可將目標離子的水溶液獲取，蒸發除水之后便能將最終產品獲取[2]。陰離子絡合反應指的是，通過鹵素離子與過渡金屬鹵化物之間的反應，能夠完成單核或多核絡合陰離子的生成。電解法表示直接電解下的含目標陽離子的氯化物前體水溶液，可生成會與含目標陰離子的酸產生中和反應的含目標陽離子的氫氧化物。而復分解反應在離子液體的合成中也有著可觀的應用效果，復分解反應下的含有目標陰、陽例子的電解質可將需求的離子液體獲取。

2.2 微波輔助合成離子液體

該方法無需使用溶劑，能在幾小時甚至幾分鐘內完成反應。該方法屬于體相加熱技術，原理在于快速變化的電磁場內，極性分子的方向會不斷改變，引發分子摩擦發熱。微波加熱能夠快速升溫，而分子本身的不斷轉動，同樣發揮著分子級別攪拌作用，所以反應速率得到大幅度提升。有學者在24種一系列功能化1-烷基-3-乙基咪唑和10種雙核離子液體的制作中，應用了微波輔助，該技術相對于傳統制備方法而言，合成反應時間大幅度縮短，且無需使用大量有機溶劑，多數離子液體產率實現有效提升[3]。然而，在使用該方法時也是有一定弊端存在的，如反應控制難度頗大且會發生副反應等。

3 有色金屬冶金中離子液體的應用

3.1 金屬及其氧化物溶解與腐蝕中的應用

由于多數分子溶劑內金屬氧化物很難實現有效溶解，因此通常會選擇高溫熔巖或強酸溶液溶解方法進行，然而此類方法也有一系列弊端存在于應用中，如會腐蝕設備表層、導致設備使用年限減少，且需要較大的資源投入量，會嚴重污染生態環境等。而開發及應用離子液體，即可將上述一系列問題有效解決。之所以如此，主要在于離子液體能夠徹底溶解有機物、無機物、聚合物等大量物質，被當作性能優良的溶劑并用于多樣化化學反應中時。同時，離子液體的溶解度也較大[4]。有學者研究了鋁、銅、黃銅、碳素鋼、奧氏體小銹鋼及鎳基合金C22等物質在90℃條件下的離子液體內的腐蝕狀況，結合研究結果得知，鎳基合金C22被腐蝕的可能性極低，即便是在稀釋后的離子液體內（陰離子為磷酸二甲酯）也僅呈現出中型腐蝕程度，而鋁和碳鋼的腐蝕程度則基本是由離子液體內陽離子成分的狀態及陰離子化學結構決定[5]。而稀釋的離子液體內，腐蝕性相對更大的有二甲磷酸鹽型陰離子，然而也基本不會腐蝕鋁合金。較高溫度條件下，銅、黃銅在離子液體內會出現嚴重的腐蝕程度。

表1 離子液體中不同金屬與合金的電沉積

3.2 黃銅礦濕法冶金中的應用

黃銅礦是常見的硫化銅礦之一，浸出目標上的難度普遍較大。而黃銅礦濕法冶金時，在離子液體的實踐應用過程中，多種無機物溶解特別是金屬氧化物溶解過程中的特殊能力——選擇性溶解是最顯著的特征體現。有學者將黃銅礦浸泡在離子液體內持續8h后，檢測浸出得知銅浸出率達到了90%以上。在反復研究實踐后，離子液體能夠成功提取伴生金礦中的金、銀，如黃銅礦、黃鐵礦、閃鋅礦等，研究結果表示，黃銅礦金屬含量決定了最終的浸出率，低值金屬中浸出率偏高的包含銀[6]。離子液體用于黃銅礦Cu提取過程中，具有相當高的浸出率，且離子液體基本不會有蒸氣壓存在、揮發難度較大，使用的離子液體歷經精簡化處理程序后還能再次使用。故而，金屬如果帶有化合價，那么其浸出效果就不會受到離子液體的影響。浸出的Cu在離子液體內可被電沉積出，該方法在提取黃銅礦、貴重金屬分離過程中的合理應用，可將環境污染等問題有效解決。

3.3 有色金屬鋁鎂鈦電沉積中的應用

電沉積是金屬電鑄、電解冶煉及電解精煉等進行過程中必不可少的基礎，也是當前金屬與合金獲取中應用最為普遍的方法之一。化學沉積中，水溶液的作用體現在電解質，然而水的電化學窗口會對其構成一定的限制[7]。熔鹽溫度相對較高，所以具體應用中此類方法都有一定局限性存在。作為新型綠色溶劑的離子液體，在電化學窗口、導電性方面有著突出性能。早在多年以前，便已開始了離子液體金屬電沉積現象的研究，且AlCl3離子液體中應用電沉積后已經能夠完成Al、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Pd、Au、Ag、Cd、Sn等諸多金屬的沉積，咪唑的氟硼酸鹽、氟磷酸鹽、三氟甲基磺酸鹽中完成了Ag、Mg、Sb、Ti及Cd等金屬的沉積。下表1給出了離子液體中不同金屬與合金的電沉積。結合相關研究成果得知，離子液體能夠電沉積大量金屬，而因離子液體的性能會隨著形成陰離子的變化而變化，因此可劃分為復雜陰離子型、不連續陰離子型等兩大類離子液體。將離子液體用于有色金屬鎂鋁鈦電沉積中時，能夠最大限度消除部分金屬與水反應的情況，并且可徹底規避析氫反應的產生，能夠將副反應減少且節省能耗。相對于有機電解液而言，離子液體不具備蒸氣壓，燃燒、揮發的情況不會產生，故而能實現更安全、環保的應用操作。屬于低溫熔鹽的離子液體，操作中設備受到的腐蝕程度極小，能實現能耗的有效控制。活潑金屬電沉積中，離子液體的應用體現在電解質方面，僅需平常溫度便可獲取金屬或合金，無需高溫熔鹽，同時不會存在極強腐蝕性，可解決活潑金屬在水溶液電解中難以獲取的問題，有效提升電解的電流效率，且能節省能耗，可以有效提煉無氫無氧金屬。

4 結語

離子液體屬于新型反應介質之一，將高溫熔鹽及有機溶劑的優勢特點兼具，故而應用前景相當廣闊。結合離子液體提取、分離有色金屬時，僅需在室溫或接近室溫的條件下便可開展，不會對環境構成污染，同時具備溫和的反應條件、不會耗費太多能耗，能夠大幅度減少有色金屬冶金中的成本耗費，應用潛力相當顯著。為了促進離子液體應用價值及作用的進一步發揮，仍需深入研究離子液體在有色金屬冶金中的應用。