用P204從鹽酸體系中萃取鋁試驗研究

徐占宇，李婷婷，張文斌，桑曉云，高 媛，張國光，許 慧

(中國北方稀土(集團)高科技股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

二(2-乙基己基)磷酸(P204或HA)萃取金屬離子的能力很強，適宜條件下可以萃取大多數(shù)金屬離子。從溶液中萃取金屬離子時，pH由低到高的萃取順序為Fe3+>Zn2+>Ca2+>Al3+>Cu2+>Mn2+>Co2+>Ni2+>Mg2+[1-11]。萃取過程中，水相中的金屬離子取代P204二聚體中的H+，打破了氫鍵的締合，與金屬陽離子螯合，實現(xiàn)萃取。

以溶劑萃取法從溶液中萃取鋁已有較多研究[1-3]。P204從鹽酸體系中萃取鋁的效果與Al3+在溶液中的存在形式有關(guān)，也與有機相中P204濃度、料液中Al3+質(zhì)量濃度、料液pH及溫度等有關(guān)。試驗研究了以P204為萃取劑、煤油為稀釋劑從鹽酸體系中萃取鋁，確定其最優(yōu)條件及P204對Al3+的最大飽和萃取率。

1 試驗部分

1.1 試驗原料及試劑

氫氧化鈉、鹽酸，均為分析純；P204、磺化煤油，均為工業(yè)級；氯化鋁溶液以分析純氯化鋁配制；去離子水。

1.2 試驗儀器及設(shè)備

250 mL分液漏斗(蜀牛玻璃儀器公司)，燒杯，量筒，恒溫水浴鍋，電動攪拌器，ICP光譜分析儀。

1.3 試驗原理及方法

pH≤3.5時，Al在溶液中以Al3+形式存在；pH>3.5時，Al3+發(fā)生水解轉(zhuǎn)化為Al(OH)3沉淀,使萃取反應(yīng)無法正常進行[2,4-6]。

P204萃取Al3+的主要反應(yīng)為

影響萃取的因素有萃取時間、萃取溫度、料液pH、料液中Al3+質(zhì)量濃度、相比、萃取劑P204濃度，通過試驗確定P204萃取Al3+的控制條件和最大萃取率。

氯化鋁溶液的配制：稱取一定質(zhì)量分析純氯化鋁，用去離子水配制成Al3+質(zhì)量濃度分別為15、25、35、45 g/L氯化鋁溶液，用分析純鹽酸調(diào)酸度；探索試驗中，Al3+質(zhì)量濃度均為15 g/L。

有機相的配制及萃取：P204用煤油稀釋，攪拌均勻；取一定體積有機相與不同體積氯化鋁溶液混合于燒杯中，一段時間后用分液漏斗靜置分層，分離出下層水相，測定其中Al3+質(zhì)量濃度，計算萃取率。

循環(huán)萃取：適宜條件下循環(huán)萃取并測定萃余液中Al3+質(zhì)量濃度，然后用一定濃度鹽酸溶液反萃取，測定反萃取液中Al3+質(zhì)量濃度，計算反萃取率。

溶液中的Al3+濃度采用ICP法測定。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 萃取時間對Al3+萃取率的影響

P204濃度1.5 mol/L有機相與等體積氯化鋁溶液混合，料液pH=3.0，在室溫下進行萃取，萃取時間對Al3+萃取率的影響試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 萃取時間對Al3+萃取率的影響

由圖1看出：萃取3 min時，Al3+萃取率已達(dá)40%，表明Al3+較易被萃取；隨萃取時間延長，Al3+萃取率逐漸提高，5 min后，反應(yīng)達(dá)平衡，Al3+萃取率在55%以上。后續(xù)試驗中，確定萃取時間為5 min。

2.2 萃取溫度對Al3+萃取率的影響

P204濃度1.5 mol/L有機相與等體積氯化鋁溶液混合攪拌5 min，料液pH=3.0，在不同溫度下進行萃取，萃取溫度對Al3+萃取率的影響試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 萃取溫度對Al3+萃取率的影響

由圖2看出：Al3+萃取率隨萃取溫度升高而提高；25～30 ℃條件下，Al3+萃取率在60%以上。雖然溫度升高有利于Al3+的萃取,但隨溫度升高，萃取劑揮發(fā)損失增大,綜合考慮，確定萃取溫度以25～30 ℃為宜。

2.3 料液pH對Al3+萃取率的影響

P204濃度1.5 mol/L有機相與等體積氯化鋁溶液混合攪拌5 min，萃取溫度25～30 ℃，料液pH對Al3+萃取率的影響試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 料液pH對Al3+萃取率的影響

由圖3看出：隨料液pH增大，Al3+萃取率提高；料液pH=3.0時，Al3+萃取率在55%以上；但pH過大，Al3+發(fā)生水解，體系易發(fā)生乳化現(xiàn)象，萃取率大幅度降低。為保持較高萃取率和整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確定料液pH以3.0為宜。

2.4 Al3+質(zhì)量濃度對Al3+萃取率的影響

P204濃度1.5 mol/L有機相與等體積氯化鋁溶液混合攪拌5 min，萃取溫度控制在25～30 ℃ 之間，料液pH=3.0，Al3+質(zhì)量濃度對Al3+萃取率的影響試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 Al3+質(zhì)量濃度對Al3+萃取率的影響

由圖4看出，隨Al3+質(zhì)量濃度增大，Al3+萃取率略有下降，但變化不大。萃取過程中，Al3+質(zhì)量濃度過高會使有機相變成凝膠狀，影響萃取效果，且分相困難。水相中Al3+質(zhì)量濃度為25 g/L時，兩相分相速度較快，此時Al3+萃取率為56.7%。

2.5 相比對Al3+萃取率的影響

P204濃度1.5 mol/L有機相與Al3+質(zhì)量濃度25 g/L的水相料液按一定體積比(Vo/Va)混合攪拌5 min，控制溫度25～30 ℃，料液pH=3.0，Vo/Va對Al3+萃取率的影響試驗結(jié)果如5所示。

圖5 Vo/Va對Al3+萃取率的影響

隨Vo/Va增大，P204用量增大，可保證Al3+全部萃入到有機相中[5,7-9]。由圖5看出，Al3+萃取率隨Vo/Va增大而提高；Vo/Va=2/1時，Al3+萃取率在70%以上。但Vo/Va過大，會使后續(xù)反萃取過程消耗大量鹽酸，成本增加。綜合考慮萃取效果及反萃取成本，確定Vo/Va以2/1為宜。

2.6 P204濃度對Al3+萃取率的影響

料液中Al3+質(zhì)量濃度25 g/L，Vo/Va=2/1，混合攪拌5 min，萃取溫度25～30 ℃，料液pH=3.0， 有機相中P204濃度對Al3+萃取率的影響試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 有機相中P204濃度對Al3+萃取率的影響

由圖6看出：隨有機相中P204濃度增大，Al3+萃取率提高；P204濃度為1.5 mol/L時，Al3+萃取率達(dá)最高；P204濃度繼續(xù)增大，Al3+萃取率反而大幅下降。P204濃度過大，體系會出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，使分相困難，Al3+萃取率大幅度下降。綜合考慮，確定P204適宜濃度為1.5 mol/L。

2.7 P204對Al3+的最大飽和萃取量

在有機相中P204濃度1.5 mol/L、料液中Al3+質(zhì)量濃度25 g/L、Vo/Va=2/1、混合攪拌5 min、 萃取溫度25～30 ℃、料液pH=3.0條件下萃取，分相后的有機相繼續(xù)下一次萃取，共萃取5次，每次萃取水相不變。

表1 P204對Al3+的最大飽和萃取量

由表1看出：第4次萃取后，萃余液中Al3+質(zhì)量濃度基本與料液中的Al3+質(zhì)量濃度相當(dāng)。表明此時有機相萃取Al3+已達(dá)飽和，Al3+萃取率為85.92%，負(fù)載有機相中Al3+質(zhì)量濃度為21.48 g/L。負(fù)載有機相不經(jīng)反萃取仍有一定萃取能力，但萃取率降低。

2.8 P204的可循環(huán)性

負(fù)載鋁的飽和有機相與6 mol/L鹽酸溶液按1/1體積比混合并反萃取2次，2份反萃取液合并測定Al3+質(zhì)量濃度，計算反萃取率。可以看出：Al3+反萃取率在98%以上；反萃取后的有機相繼續(xù)萃取Al3+，Al3+萃取率仍在84%以上，說明P204可循環(huán)使用。

表2 Al3+反萃取試驗結(jié)果

3 結(jié)論

用P204煤油溶液可以從鹽酸體系中萃取Al3+，有機相無須皂化，可直接使用。適宜條件(P204濃度1.5 mol/L，料液中Al3+質(zhì)量濃度25 g/L，相比(Vo/Va)=2/1，混合攪拌時間5 min，料液pH=3.0，萃取溫度25～30 ℃)下，Al3+最大萃取率可達(dá)85.92%。負(fù)載有機相中的Al3+可用鹽酸溶液反萃取，反萃取率在98%以上，反萃取后的P204有機相可循環(huán)使用。