丙二酰胺盐酸体系中萃取铁和稀土及动力学研究

摘要

稀土的分离和提纯一直是国内外研究的重点和热点。稀土在当今社会各个领域都有着广泛的应用，有着广阔的应用前景。稀土的分离提纯方法很多：化学沉淀法，离子交换法，溶剂萃取法，萃取色谱法和液膜法。溶剂萃取法广泛用于稀土中铁的除杂。酰胺类萃取剂相对其他含磷或含硫萃取剂有着独特的优点：合成制备简单，不产生污染，萃取效果好，可以循环利用等。本论文合成了一种丙二酰胺类萃取剂：2-十二烷基-N,N,N′,N′-四丁基丙二酰胺(TBDMA)并研究了它与不同水溶液的界面性质，萃取铁镨的热力学、动力学等等。主要研究内容如下：
　　1.合成了2-十二烷基-N,N,N′,N′-四丁基丙二酰胺(TBDMA)，并用 FT-IR、NMR、元素分析手段对目标产物进行了表征。
　　2.针对稀土湿法冶金中稀土离子与铁离子共存问题，分别以甲苯、环己烷为稀释剂研究了TBDMA萃取Pr3+和Fe3+的热力学。考察了振荡时间、水相的酸度、萃取剂的浓度、萃取体系的温度、稀释剂种类、NaCl、CaCl2浓度对萃取率的影响。考察了H+、Cl-对萃取性能的影响，并进行了详细的讨论。研究表明，TBDMA在甲苯、环己烷中对Pr3+萃取效果不好，对Fe3+的萃取效果很好。控制合适的酸度等条件，可以实现Pr3+和Fe3+的分离，这对于轻稀土矿的湿法冶金中铁的除杂具有重要的意义。研究了萃取剂浓度与萃取分配比的关系，利用斜率法拟合求得的斜率为2，因此每个萃合物分子中含有两个萃取剂分子。通过相关的热力学函数的计算可知：此萃取反应为放热反应，升高温度对萃取不利。通过萃取前后傅里叶红外、紫外谱图的对照，发现羰基吸收峰发生改变，说明H+与TBDMA羰基上的氧发生配位，萃合物中含有FeCl4-。除此以外，还进行了萃取剂结构对萃取性能影响的探究和少量反萃实验。反萃实验探究了反萃时间、相比对反萃的影响。热力学的研究对萃取动力学条件的选择奠定了基础。
　　3.本论文组装了一种简易的恒界面池，并用组装的恒界面池测定了 TBDMA萃取Fe3+的动力学。考察了搅拌桨转速、TBDMA浓度、盐酸浓度、温度、Fe3+浓度对萃取速率的影响。在盐酸体系中，TBDMA萃取Fe3+的过程受相界面处的化学反应控制，表观活化能为8.90 kJ·mol-1。在盐酸体系中萃取反应的速率随TBDMA的浓度和Fe3+浓度增大而加快，其反应级数分别为0.77和2.06。萃取反应的速率随着盐酸浓度的增大而增大，但是并不是线性增大。因此盐酸对萃取反应的速率的级数是不确定的。在恒界面池相界面面积17.85 cm2、反应温度25℃，盐酸浓度为5.0 mol·dm-3的条件下，TBDMA萃取Fe3+的界面反应动力学速率方程可以表示为：r0=0.66×[TBDMA]0.77×[Fe3+]2.06。
　　4.用滴体积法测定了萃取剂 TBDMA在不同稀释剂(正辛烷、苯、甲苯、环己烷)下的液滴体积与时间的关系。进而获得了界面张力与液滴形成时间的关系：界面张力随着液滴形成时间的增长，先逐渐下降，后趋于稳定。研究了该萃取剂在不同稀释剂条件下的界面张力。考察了不同条件下TBDMA与不同水溶液的界面张力和温度对TBDMA与水界面张力的影响。
　　5.用滴体积法测定了不同浓度的盐酸、CaCl2、NaCl、不同温度、不同稀释剂对萃取剂TBDMA-Fe3+溶液的界面张力的影响。此研究对界面张力的研究奠定了基础，也为萃取机理的研究提供了一定理论支持。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 萃取剂及萃取动力学的研究进展

1.3 界面张力研究的进展

1.4 研究工作的提出及目的

第二章 萃取剂的合成与表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 分析测试方法

2.4 萃取剂的合成与表征

2.5 本章小结

第三章 2-十二烷基-N,N,N′,N′-四丁基丙二酰胺萃取铁、镨热力学的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 2-十二烷基-N,N,N′,N′-四丁基丙二酰胺萃取铁动力学的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 2-十二烷基-N,N,N′,N′-四丁基丙二酰胺与水溶液界面性质的研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 2-十二烷基-N,N,N′,N′-四丁基丙二酰胺与铁离子的水溶液界面性质的研究

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3. 结果与讨论

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

参考文献

致谢

附录