用微乳液從廢催化劑浸出液中分離鋁

種軻李堯，朱炳龍,2，余人杰，童 霏,2，秦恒飛,2，潘君麗，周全法,2

(1.江蘇理工學院 化學與環境工程學院，江蘇 常州 213001； 2.江蘇省電子廢棄物資源循環利用重點實驗室，江蘇 常州 213001； 3.常州翔宇資源再生科技有限公司，江蘇 常州 213168)

石油催化裂化過程所用的裂化催化劑經長期使用，會出現中毒、空隙堵塞等問題，逐漸失去催化能力[1]。淘汰的廢催化劑中含2%～3%稀土和20%～25%鋁，是重要的二次資源。

當前，從廢裂化催化劑中回收有價金屬主要采用濕法[2-4]。濕法選擇性分離稀土后，產生大量廢液，Al3+質量濃度為10～20 g/L，所以，有必要對廢液中Al3+無害化處理和回收。

目前，從含鋁浸出液中回收鋁有化學沉淀法、中和法和溶劑萃取法。化學沉淀法操作簡單，但產品純度低，且化學試劑耗量大[5-6]；中和法Al3+回收率高，但產品雜質含量較高[7]；溶劑萃取法對原料的適應性較強，分離效果好，但存在單級萃取效率低，易產生乳化等問題[8-9]。

與普通有機相不同，微乳液由水、有機溶劑、表面活性劑和助表面活性劑組成，是一種外觀透明的分散體系，具有穩定性好、傳質速度快、形成和破乳容易等優點。酸性萃取劑經皂化處理，加入低碳醇，所組成的有機相會轉變為W/O型微乳液。近年來，微乳液法逐漸應用于有價金屬的分離與回收，如稀土分離[10]、鎳鈷分離[11-12]、釩回收[13]、重金屬除雜[14]。國內外關于用微乳液分離鋁的研究[15-17]中多采用環烷酸作萃取劑，環烷酸具有來源豐富、價格低廉、平衡酸度低等優點，但在萃取高濃度鋁時存在易乳化的問題。相較而言，2-乙基己基磷酸單2-乙基己基酯(P507)萃取容量大，對原料適應性強，萃取分離性能更好。因此，本試驗采用由皂化P507-正戊醇-260#溶劑油組成的微乳液從含鋁廢催化劑浸出液中分離Al3+，用稀硫酸反萃取，以蒸發結晶法回收鋁。

1 試驗部分

1.1 試驗原料、試劑及儀器

廢催化劑經焙燒去除有機物，用HCl和H2O2浸出(液固體積質量比5 mL/g，H2O2體積質量比0.5 mL/g，HCl濃度3 mol/L，反應溫度80 ℃，反應時間2 h)，調節浸出液pH至2.0。用P507萃取分離La3+、Ce4+，萃余液用于微乳液萃取分離Al3+。用原子發射光譜法測定原料中各金屬元素質量濃度，結果見表1。

表1 料液中主要金屬元素的質量濃度 g/L

試驗試劑:P507,化學純；260#溶劑油；氫氧化鈉、過氧化氫、鹽酸、硫酸，均為分析純。

試驗儀器:LC-DMS-S型恒溫磁力攪拌器，PHS-3E型pH計，Optima 2100 DV型等離子體發射光譜儀，D/Max-2550VB/PC型X射線掃描衍射儀。

1.2 試驗方法及原理

1.2.1 微乳液的制備

將一定體積P507、正戊醇(體積分數10%)和260#溶劑油加入燒杯，置于磁力攪拌器上混合攪拌，逐滴加入2 mol/L氫氧化鈉溶液。當有機相由渾濁變為透明時，微乳液配制完成。

P507與NaOH溶液發生中和反應，生成陰離子表面活性劑，反應如下:

(1)

向皂化溶液中加入正戊醇，油水界面張力降低，界面膜流動性增強，易自發形成小液滴，有機相轉化為W/O型微乳液。

1.2.2 微乳液萃取Al3+

將一定體積微乳液與一定體積料液加入100 mL 燒杯，并置于磁力攪拌器上進行攪拌，攪拌速度300 r/min。反應完成后移入分液漏斗中靜置分相，用原子發射光譜法測定萃余水相中Al3+、Mg2+、Ni2+質量濃度，根據質量守恒原理計算Al3+、Mg2+、Ni2+質量濃度及萃取率。

P507對金屬離子的萃取順序為Al3+>Mg2+>Ni2+?K+、Na+。通過控制水相pH，可實現選擇性萃取Al3+，使Al3+與Mg2+、Ni2+分離。

以Mx+代表x價金屬離子。萃取過程中，水相中的金屬離子Mx+與微乳液中的Na+發生陽離子交換反應進入有機相:

(2)

該過程中，P507鈉鹽轉變為鋁鹽配合物，陰離子表面活性劑消失，微乳液破乳，有機相與水相分開。

1.2.3 硫酸反萃取Al3+

向裝有載鋁有機相的燒杯中加入一定體積稀硫酸溶液，將燒杯置于磁力攪拌器上，以300 r/min速度混合攪拌。反應后，將溶液移入分液漏斗中靜置分相，放出下層反萃取水相，用原子發射光譜法測定反萃取液中Al3+質量濃度，計算出Al3+反萃取率。

P507是弱酸性萃取劑，當增大水相[H+]，H+能取代與酸根陰離子配合的Al3+，使有機相中的Al3+進入反萃取液中，反應如下:

(3)

2 試驗結果與討論

2.1 微乳液萃取Al3+

2.1.1 料液中金屬離子質量濃度對金屬離子萃取率的影響

有機相組成為20%P507+10%正戊醇+70%260#溶劑油，P507皂化率40%，萃取相比(Vo/Va)=1/1，萃取時間10 min，萃取溫度20 ℃。 取一定體積料液，用蒸餾水按Al3+質量濃度1、2、3、5、10 g/L分別進行稀釋，并調節溶液pH至1.5。料液中金屬離子質量濃度對金屬離子萃取率的影響試驗結果見表2。

表2 料液中金屬離子質量濃度對金屬離子萃取率的影響

由表2看出，隨料液中金屬離子質量濃度升高，Al3+萃取率明顯降低，Mg2+、Ni2+萃取率略有降低。微乳液具有固定的萃取容量，Al3+萃取量達到限值時萃取達到平衡。Al3+質量濃度升至10.03 g/L 時，萃取過程出現乳化，有機相渾濁，這是因為料液中Al3+質量濃度升高會促使有機相形成乳狀液滴[18]。Mg2+、Ni2+萃取率變化不大，萃取率均很低。綜合考慮，確定適宜的Al3+、Mg2+、Ni2+質量濃度分別為2 g/L、50 mg/L和10 mg/L。

2.1.2 料液pH對金屬離子萃取率的影響

料液中Al3+、Mg2+、Ni2+質量濃度分別為2 g/L、 50 mg/L和10 mg/L，有機相組成為20%P507+10%正戊醇+70%260#溶劑油，P507皂化率40%，萃取相比(Vo/Va)=1/1，萃取時間10 min， 萃取溫度20 ℃。料液pH對金屬離子萃取率的影響試驗結果如圖1所示。

圖1 料液pH對金屬離子萃取率的影響

由圖1看出：隨料液pH增大，Al3+萃取率提高，Mg2+、Ni2+萃取率變化不大且較低。這是因為金屬離子萃取受pH影響較大：平衡pH越大，金屬離子萃取率越高；料液pH=1.5時，Al3+萃取率為86.2%；繼續增大pH，Al3+萃取率變化不大，而Mg2+萃取率開始提高。綜合考慮，確定料液pH以1.5為宜。

2.1.3 有機相組成對金屬離子萃取率的影響

料液中Al3+、Mg2+、Ni2+質量濃度分別為2 g/L、 50 mg/L和10 mg/L，料液pH=1.5，相比(Vo/Va)=1/1，P507皂化率40%，萃取時間10 min， 萃取溫度20 ℃。有機相組成對金屬離子萃取率的影響試驗結果如圖2所示。可以看出:隨有機相中P507體積分數增大，Al3+萃取率逐漸升高，Mg2+、Ni2+萃取率較低且無明顯變化。這是因為有機相中P507體積分數提高，表面活性劑濃度提高，有機相中形成更多的微乳液滴，微乳液比表面積增大。當有機相中P507體積分數升至30%時，Al3+萃取率提高到92.03%， 而Mg2+、Ni2+萃取率也開始快速提高，致使Al3+的萃取分離效果變差。綜合考慮，確定有機相組成以25%P507+10%正戊醇+65%260#溶劑油為宜。

圖2 有機相組成對金屬離子萃取率的影響

2.1.4 萃取相比(Vo/Va)對金屬離子萃取率的影響

料液中Al3+、Mg2+、Ni2+質量濃度分別為2 g/L、 50 mg/L和10 mg/L，料液pH=1.5，有機相組成25%P507+10%正戊醇+65%260#溶劑油，P507皂化率40%，萃取時間10 min，萃取溫度20 ℃。萃取相比(Vo/Va)對金屬離子萃取率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 萃取相比Vo/Va對金屬離子萃取率的影響

由圖3看出:隨萃取相比(Vo/Va)增大，Al3+萃取率逐漸升高，Mg2+萃取率小幅提高，Ni2+萃取率無明顯變化，Mg2+、Ni2+萃取率均較低。相比(Vo/Va)增大，相間傳質面積提高，傳質速率加快，更有利于萃取反應進行。綜合考慮，確定萃取相比(Vo/Va)以1/1為宜。

2.1.5 P507皂化率對金屬離子萃取率的影響

料液中Al3+、Mg2+、Ni2+質量濃度分別為2 g/L、 50 mg/L和10 mg/L，料液pH=1.5，有機相組成25%P507+10%正戊醇+65%260#溶劑油，萃取相比(Vo/Va)=1/1，萃取時間10 min,萃取溫度20 ℃。P507皂化率對金屬離子萃取率的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 P507皂化率對金屬離子萃取率的影響

由圖4看出，隨P507皂化率增大，Al3+萃取率逐漸提高，Mg2+、Ni2+萃取率變化不大且均較低。P507皂化率增大，微乳液中陰離子表面活性劑增多，微乳液萃取能力提高，有利于金屬離子間的分離。P507皂化率增至45%后，Al3+萃取率變化不大，而Mg2+、Ni2+萃取率提高明顯，Al3+與Mg2+、Ni2+的分離效果降低。綜合考慮，確定P507皂化率為45%，此時更有利于Al3+的萃取分離。

2.1.6 萃取時間對金屬離子萃取率的影響

料液中Al3+、Mg2+、Ni2+質量濃度分別為2 g/L、 50 mg/L和10 mg/L，料液pH=1.5，有機相組成25%P507+10%正戊醇+65%260#溶劑油，P507皂化率45%，萃取相比(Vo/Va)=1/1，萃取溫度20 ℃。萃取時間對金屬離子萃取率的影響試驗結果如圖5所示。

圖5 萃取時間對金屬離子萃取率的影響

由圖5看出，隨萃取時間延長，Al3+萃取率提高，并在3 min后趨于穩定，而Mg2+、Ni2+萃取率變化都不大。這說明皂化P507從鹽酸介質中萃取Al3+，萃取平衡時間短，傳質效率高。綜合考慮，確定萃取時間以3 min為宜。

2.2 硫酸反萃取Al3+

2.2.1 硫酸濃度對Al3+反萃取率的影響

反萃取相比(Va/Vo)=1/1，反萃取時間10 min， 硫酸濃度對Al3+反萃取率的影響試驗結果如圖6所示。

圖6 硫酸濃度對Al3+反萃取率的影響

由圖6看出:隨硫酸濃度增大，Al3+反萃取率提高，這是因為P507為酸性萃取劑，隨水相[H+]升高，P=O對Al3+的配合作用減弱，而易與H+配合恢復酸狀態；當硫酸濃度為4 mol/L 時，Al3+反萃取率達95.37%，之后略有下降。綜合考慮，確定硫酸濃度以3 mol/L為宜。

2.2.2 反萃取相比(Va/Vo)對Al3+反萃取率的影響

硫酸濃度3 mol/L，反萃取時間10 min，反萃取相比(Va/Vo)對Al3+反萃取率的影響試驗結果如圖7所示。

圖7 反萃取相比(Va/Vo)對Al3+反萃取率的影響

由圖7看出，隨反萃取相比(Va/Vo)增大，Al3+反萃取率逐漸提高。在確保Al3+反萃取效果前提下，適當降低相比，可減少酸耗及成本。所以，確定反萃取相比(Va/Vo)為1/1。

2.3 硫酸鋁的制備與表征

將反萃取液倒入蒸發皿，置于鐵架臺鐵圈上，用酒精燈加熱，待有較多晶體析出后用玻璃棒攪拌，撤去酒精燈，用余熱蒸發至干。析出物用5 mL 無水乙醇洗滌2次，放于恒溫鼓風干燥箱中，在70 ℃下恒溫干燥2 h，得水合硫酸鋁。XRD分析結果如圖8所示，質量分析結果見表3。可以看出:晶體主要的衍射峰為Al2(SO4)3·14H2O，且峰強而尖銳、雜峰少；產物水合硫酸鋁純度高、雜質少，質量滿足HG/T 2225—2010標準中Ⅰ類品要求。

圖8 產品的XRD分析結果

表3 產品的質量分析結果

3 結論

采用微乳液法從含鋁料液中萃取分離Al3+，經稀硫酸反萃取、蒸發結晶后可得高純度水合硫酸鋁，質量符合HG/T 2225—2010標準Ⅰ類品要求，廢液中的Al3+可得到有效回收。