P507-N235体系萃取稀土过程溶解行为及调控机制研究

作     者：宋超前 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘杰

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 080603[工学-有色金属冶金] 08[工学] 0806[工学-冶金工程] 

主      题：P507-N235 萃取 稀土 LB膜分析仪 溶解 

摘      要：P507(2-乙基己基膦酸-单-乙基己基酯)-N235(三辛癸烷基叔胺)双溶剂萃取体系可直接实现稀土的无皂化萃取分离,但P507-N235体系萃取稀土过程中仍存在溶解损失,这不仅造成大量含油废水产生,污染环境,还带来严重的资源流失,不符合我国可持续发展的理念。因此,弄清P507-N235体系萃取稀土过程的溶解行为规律,找出溶解损失的根本原因,并构建从源头上可彻底防止有机相溶解损失的调控新方法对于稀土产业的可持续健康发展具有重要的意义。本文借助Langmuir-Blodgett(LB)膜分析仪,采用傅里叶红外变换光谱(FTIR)、布鲁斯特角显微镜(BAM)和原子力显微镜(AFM)等先进手段,从原位界面处探究萃取剂分子及其萃合物的存在状态、相互作用及动态聚集行为,弄清有机体系的溶解行为规律与微观机理,找出根本原因,通过在有机相中添加表面活性剂Span 80(失水山梨醇酐油酸酯),调控溶液结构,提高油水界面的稳定性,建立一种防止萃取过程中有机相溶解损失的调控新方法。具体内容如下:(1)研究P507-煤油体系的溶解行为规律。将P507有机相铺展在p H值为3纯水表面,得到P507单分子膜π-A曲线和界面扩张流变性(弹性模量、粘性模量、扩张模量及相角)的变化规律。随着P507浓度增加形成了大量聚集体,聚集体的生成改变了界面结构,界面流变性能随之发生变化,聚集体在界面处受力失稳,导致萃余液油含量升高。向有机相中添加萃取剂N235,P507-N235与P507单分子膜的π-A曲线和界面扩张流变性具有显著差异。通过FTIR、BAM和AFM表征,证实了N235与P507分子间存在相互作用,能够抑制P507聚集体的形成,形成三维网状结构,增强界面的稳定性,从而降低萃余液油含量。(2)以P507-N235作为萃取剂,以水溶液中的稀土Er及杂质Al、Mg为研究对象,分析P507-N235萃取金属离子过程的溶解行为规律。料液中Al的存在不利于稀土Er的萃取,且使得萃余液油含量升高;而料液中Mg的存在有利于稀土Er的萃取,并使得萃余液油含量降低。考察了有机相中金属离子负载量变化对单分子膜π-A曲线和界面膜扩张流变性质的影响,研究发现P507分子与稀土Er结合促进了单分子膜π-A曲线的右移,随着稀土Er负载量增加,萃合物聚并形成聚集体,导致π-A曲线发生“突变;与只负载稀土Er的有机相相比,有机相负载杂质Al、Mg后,π-A曲线均左移,随着Al负载量的增加,π-A曲线进一步左移,但Mg相反,随着Mg负载量的增加,π-A曲线逐渐右移;此外,不同类型、不同金属离子负载量的界面膜粘弹性质存在显著差异。FTIR和AFM表征证实了P507与金属离子间形成聚集体,且结构存在明显的差异,由于分子间相互作用程度和大小不同,导致界面行为发生变化,进而影响萃余液油含量。(3)向P507-N235有机相中添加Span 80,与稀土Er进行萃取反应,测定萃余液中稀土Er浓度和油含量,与未添加Span 80的有机相相比,添加Span 80后,稀土Er萃取率基本不变,萃余液油含量降低。通过对比P507-N235与P507-N235-Span 80体系的界面性质,发现Span 80与P507-N235分子间存在复杂的相互作用,使得界面膜表现出不同的粘弹特质,提高界面膜的稳定性,降低萃余液油含量。通过FTIR和AFM表征证实了P507-N235与Span80分子间存在相互作用,形成更加稳定的三维网状结构。通过添加Span 80可以调控P507-N235体系萃取过程中的溶解行为,减少溶解损失,提高资源利用。(4)以Span 80为调控剂,P507-N235为萃取剂,水溶液中的稀土Er及杂质Al、Mg为研究对象,分析P507-N235-Span 80体系萃取金属离子过程中的溶解行为规律。Span 80的存在不影响稀土Er的萃取效果,萃余液油含量明显降低。考察P507-N235-Span 80体系中金属离子负载量变化对单分子膜π-A曲线和界面膜扩张流变性质的影响,对比分析负载有机相P507-N235和P507-N235-Span 80的差异,并通过FTIR和AFM表征,发现Span 80的存在导致P507与金属离子间相互作用发生变化,使其结构和聚集行为随之发生变化,并改变了界面膜的流变性,提高了界面膜的稳定性,降低了有机相的溶解损失。从界面层次证实Span80可以调控P507-N235体系萃取稀土Er过程中的溶解行为,减少有机相的溶解损失,为从源头上彻底防止稀土萃取过程含油废水的产生提供了新方法,为稀土行业的绿色可持续发展作出一定的贡献。