酸性溶液中铜离子的萃取分离研究

滕文

【摘 要】铜作为我国经济发展的基本原料，成为新时代高端技术发展的关键原料，在科技发展和经济建设中起到重要的作用。铜资源日益得到开采和使用，铜离子分离和回收成为学者研究的重点内容。萃取法具有操作简单，可连续化进行、杂质分离效率高、产品质量稳定、环境友好等优点，成为理想高效的金属分离回收手段。

【关键词】萃取法；铜分离；溶解度

0 引言

溶剂萃取法在19世纪时就开始运用于无机物质及有机物质的分离。在二战期间，由于核武器工业和原子能工业的发展，带动了溶剂萃取法的快速发展。溶剂萃取用于不同金属间的萃取与分离，起初只运用于贵金属或稀有金属间的分离，如铀、锆等。20世纪中期很多学者普遍认为采用溶剂萃取的方法大批量获得金属铜离子是行不通的。20世纪60年代开始，研究发现获得多种能够有效萃取分离铜、镍离子型的高效率的萃取剂，因此利用萃取的方法生产的铜产量急速增加。

伴随着科学技术的进步和铜冶炼技术的快速提高，冶炼金属铜的生产方法迅速发展，研究推出的浸出分离—萃取—电积这种新型冶炼工艺得到认可并投入生产。这种新冶炼工艺可以十分有效的处理各种难选矿物，耗费资金少，生产设备简单，因此逐渐受到重视并得到普遍应用。

1 铜离子分离的主要技术

1.1 化学沉淀法

化学沉淀法包含了离子水解法和难溶盐沉淀法两个方法，即运用离子水解或难溶盐沉淀法对溶液中金属进行分离和富集的方法。此法广泛使用于湿法冶金和工业实际生产中；在化学选矿中，该法用于浸出液处理。用化学方法处理金属矿物时，化学沉淀法主要用来分离净化和提取溶液中重要的金属。

工业生产中常用化学沉淀法处理含有重金属的工业废水，原理就是向废水中加入化学试剂，与废水中金属离子发生反应从而生成不溶于水中的盐类从而成为沉淀，从而分离和回收废水中金属离子，净化废水。这种在废水中加入化学试剂产生沉淀的方法称为化学沉淀法。

1.2 萃取法

近年来，溶剂萃取法逐渐取代了化学沉淀法来分离铜镍。作为有色金属的萃取，分离与提纯的重要方法，萃取法具有操作简单，可连续化进行、杂质分离效率高、产品质量稳定、环境友好等优点，成为理想高效的金属分离回收手段。当然溶剂萃取法也有一定的缺点，一些溶剂由于具有挥发性，当大量使用时，萃取液中会具有潜在的毒性，因此产生的废弃物需要用特殊的设备才能进行处理净化。萃取分离中常用萃取剂有：P204，P507，Lix984，N902等。用溶剂萃取法分离铜离子，一般分为两个部分：

（1）萃取。首先调节溶液的pH，将萃取剂加入含铜溶液中搅拌混合，溶液中的铜离子被萃取进入到有机相中，待两相在分液漏斗中静置分层后，用分液漏斗分离两相，进入下一部分。

（2）反萃。在含有铜的有机相中加入稀硫酸溶液混合搅拌，使得有机相中的铜离子被反萃进入到硫酸溶液中，反萃取液可回收进入铜回收系统；反萃后剩余的有机相可以用来重新萃取铜离子。

2 溶剂萃取技术的发展与应用

2.1 萃取技术概述

溶剂萃取，是分离液体混合物的重要方法之一。向目标溶液中加入不能与之互相溶解的萃取剂，从而构成可以共存的水相和有机相的两相系统，金属离子根据溶解度不同各自分别进入在两液相中，使某些组分较多的从料液相进入萃取相，静置分层后再用分液漏斗使得两液相分离，这种能实现混合液分离的操作称为液液萃取。

在萃取的过程中，加入到目标溶液中的溶剂称为萃取剂。目标溶液中待萃取分离的组分被称为溶质。目标溶液中溶质在萃取剂中的溶解度应该远大于水相，或溶质可与萃取剂生成“萃合物”，且目标混合物中的其他溶质组分应与萃取剂不互溶。方能实现相转移。将萃取剂加入混合液中，搅拌使其互相混合，根据待分离溶质在两相中溶解度不同分别进入在两液相中，待两相在分液漏斗中静置分层后，用分液漏斗分离两相。萃取过程的实质就是水相和有机相间的互相传质过程。

2.2 溶剂萃取技术发展与应用

溶剂萃取的应用范围非常广泛，如湿法冶金、环保、化工、核燃料、医药等工业生产中都使用溶剂萃取。随着高纯物质的制备、各类产品的深加工行业的发展，为了满足资源的合理利用和环境保护的要求，人们对分离技术的要求越来越高。由于实际工业生产对萃取分离技术的要求越来越严格，萃取作为“成熟”的基本操作，溶剂萃取分离也面临着新的挑战。在传统的萃取过程的基础上，萃取分离操作与其他单元操作过程的耦合、通过化學作用或附加外场来达到强化萃取分离的目的。大力研究耦合技术，从而强化萃取分离的过程，已经成为广大研究者开发萃取分离领域的主要方向，并具有良好的发展前景。值得提及的是，社会经济的持续发展和高新技术的创新驱动为萃取分离技术发展提供了良好的机遇，加速了萃取分离技术创新和发展。

3 铜离子萃取分离

3.1 萃取原理

向目标溶液中加入不能与之互相溶解的萃取剂，从而构成可以共存的水相和有机相的两相系统，金属离子根据溶解度不同各自分别进入在两液相中，使某些组分较多的从料液相进入萃取相，将混合液倒入分液漏斗中等到静置分层后再使得两液相分离。通过多级萃取能够将目标溶液中大部分的待分离溶质萃取分离出来。溶剂萃取法的主要理论依据就是分配定律，依靠待分离溶质在水相和有机相中的溶解度不同。

通常由于化合物在有机溶剂中的溶解度大于在水相中的溶解度，所以实际生产中可以使用有机溶剂分离回收溶解于水的化合物。往往仅靠一级萃取就能百分百萃取分离水溶液中的化合物是不可能的，必须通过多级萃取方能将目标溶液中待分离溶质萃取分离完全。

萃取过程是物理过程还是化学过程往往由萃取体系的组成决定。一般来说，萃取分离过程是因为被萃取物在水相和有机相中的溶解度不同从而实现的，一般都可认为是物理过程。萃取的过程中，若待分离溶质与萃取剂中一种或多种组分发生化学反应，生成了新的化合物，属于化学过程。在萃取中由于反应机理及操作方式不同，除上述清液萃取过程外，又发展了矿浆萃取、协同萃取、交换萃取、配合萃取、及共萃取、串级萃取等过程。

3.2 萃取过程的动力学

在萃取器中使相强烈搅拌的条件下，传质以高的速度进行。湿法冶金过程采用的萃取体系，化学反应的速度通常很快。在一定条件下，化学反应决定萃取速度。通常这种情况往往是由于水相中形成配合化合物的速率小于萃取过程的速率时才能发生。作为例子，用MiBK萃取水化了的硝酸铀酰分子时的溶剂化合物形成就是如此：

UO2（NO3）·6H2O+2MiBKUO2（NO3）2·2MiBK·4H2O+2H2O

可以导出考虑了扩散阻力和化学反应阻力的萃取速度方程。从模型可以看出，在分界表面处有一层厚度为δR和δE的薄边界层，在这些层中浓度发生急剧变化，并且物质的传递优先的由分子扩散实现（虽然对流传递也会发生）。必须注意到，只有一种物质的分子进行扩散。

【参考文献】

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