学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

氨性溶液中铜、镍、锌金属离子的萃取行为及微观机理研究

作　者: 胡久刚
导　师: 陈启元
学　校: 中南大学
专　业: 冶金物理化学
关键词: 氨性溶液 溶剂萃取 机理 溶液结构 X-射线吸收光谱
分类号: TD98
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 171次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


立足于解决国内紧缺战略有色金属矿产资源高效利用的难题,开发适合低品位矿、尾矿等非传统矿物的技术和工艺流程是我国有色冶金工业发展的重要方向。在众多的冶炼技术中,“氨浸—萃取—电积”工艺是处理低品位复杂氧化矿物最具前景的技术之一,萃取工序是该技术中最关键的步骤。因此,清楚掌握萃取过程的机理对改进萃取剂配方、设计萃取工艺流程具有重要意义。本文以铜、镍、锌金属为研究对象,以实验室合成的1-苯基-4-乙基-1,3-辛二酮(HA)为萃取剂,从萃取平衡和溶液结构两个方面,系统研究了氨-硫酸铵溶液中铜、镍、锌金属离子的萃取行为,分析了水和氨在萃取有机相中的分配规律,结合紫外-可见光谱(UV-Vis)、红外光谱(FT-IR)和X-射线近边吸收光谱(XANES)和扩展X-射线精细结构光谱(EXAFS)等方法研究了水相及有机相中的物种及其微观结构对萃取过程的影响,阐明了氨性溶液中铜、镍、锌金属离子的微观萃取机理,为低品位复杂氧化矿物氨配合冶金体系的建立提供了可靠的理论依据。具体研究内容及结论如下：(1)系统研究了氨性溶液中铜离子的萃取行为和微观机理。发现1-苯基-4-乙基-1,3-辛二酮在氨性体系可高效萃取铜离子,水相中铜氨配位离子的生成会抑制铜萃取反应,当pH>8.5时铜萃取率显著下降；萃取有机相中水分子不与铜萃合物配位,而少量氨分子可随铜萃合物萃取进入有机相；p-二酮与铜离子主要形成平面四边形构型的CuA2萃合物,其结构不受水相pH的影响；随着pH升高,氨性溶液中铜离子的结构从变形八面体构型逐渐转变为扭曲的平面四边形构型,从而抑制了铜离子的萃取,导致高pH下铜萃取率急剧下降。(2)系统研究了氨性溶液中镍离子的萃取行为和微观机理。发现氨性溶液pH对镍离子的萃取具有明显影响,镍萃取率在pH<8.5时随pH升高而增大,但在8.5<pH<9.5时呈下降趋势,而当pH>9.5时开始显著升高；水分子和氨分子可与镍萃合物配位进入有机相,生成的水合及氨配位镍萃合物降低了萃合物在非极性溶剂中的溶解度,从而抑制了镍离子的萃取；当水相pH>9.5时有机相析出绿色的萃合物晶体,有效降低了非有机相中镍萃合物的浓度,从而促进了镍离子的萃取反应,但该萃取行为不利于工业实际应用；有机相中镍萃合物组成为NiA2·H2O·NH3,萃合物在有机相中的结构与萃取法制备的镍萃合物结构相同,均为八面体构型。在镍氨溶液中,随着pH的增大,氨分子逐级取代镍离子中的水分子,形成各种稳定的镍氨物种,虽然其配位结构均为八面体构型,但镍氨物种的稳定性逐渐增大,尤其是Ni(NH3)52+和Ni(NH3)62+的生成显著抑制了萃取反应的进行。(3)系统研究了氨性溶液中锌离子的萃取行为和微观萃取机理。结果表明,氨性体系锌离子的萃取平衡对水相pH非常敏感,尤其是在pH>7.35时锌萃取率急剧降低,在pH>9时基本没有萃锌能力；水分子和氨分子可直接与锌萃合物配位,形成水合及氨配位的锌萃合物,增大水相pH可促进氨配位锌萃合物的生成；有机相中锌离子主要为四面体构型的ZnA2萃合物,水分子和氨分子与部分ZnA2生成五配位ZnA2·H2O和ZnA2·NH3;水相中氨分子逐级取代水合锌离子的水分子,形成各种稳定的锌氨配位离子,抑制了锌离子的萃取反应；当第三个氨分子与锌离子配位后,使锌离子从八面体构型转变为更稳定四面体构型,导致高pH下锌萃取率急剧降低。(4)以正辛醇、甲苯和壬烷为溶剂,研究了氨性体系锌离子萃取过程中的溶剂效应。发现增大溶剂极性可显著提高氨性溶液中锌离子的萃取率,萃锌性能正辛醇>甲苯≈壬烷,疏水性较低的水合和氨配位锌萃合物在极性溶剂中更易溶解,从而促进了锌离子的萃取,但辛醇体系中锌离子的萃取率在pH>7.3时仍急剧下降,表明增大溶剂极性仍难以促进四面体构型锌氨离子的萃取。(5)以三辛基氧膦(TOPO)、磷酸三丁酯(TBP)和三丁基膦(TBuP)三种含磷中性配体(B)为协萃剂,研究了氨性体系锌离子萃取过程中的协同效应。发现加入协萃剂可显著提高氨性溶液中锌的萃取率,萃锌性能TOPO>TbuP>TBP,且TOPO和TBuP体系在7.26<pH<8.38范围内具有稳定的萃锌性能；协同配体取代锌萃合物中的水分子或氨分子,形成五配位ZnA2-B配合物,增强了锌萃合物的稳定性和疏水性,从而促进锌离子在有机相中的分配。(6)以1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([BMIM]PF6)、1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([OMIM]PF6)、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([BMIM]NTf2)、口1-辛基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([OMIM]NTf2)等四种离子液体为溶剂,首次研究了离子液体萃取体系从氨性溶液中萃取锌离子的行为。结果表明,p-二酮与疏水性离子液体萃取体系可用于氨性溶液中锌离子的萃取,萃锌性能[BMIM]PF6>[BMIM]NTf2>[OMIM]PF6>[OMIM]NTf2,极性较强的离子液体有利于锌离子的萃取。在四种离子液体中,锌萃合物主要以五配位结构存在；强极性离子液体的离子组分可能与锌萃合物外配位层相互作用,从而增强了萃合物的稳定性,促进了锌离子的萃取。

全文目录


摘要  4-7
ABSTRACT  7-16
第一章 文献综述  16-33
  1.1 引言  16
  1.2 铜镍锌资源利用现状和发展趋势  16-18
    1.2.1 传统矿物资源  16-17
    1.2.2 非传统矿物资源  17-18
  1.3 复杂矿物湿法提取技术的发展现状  18-22
    1.3.1 酸法提取技术  18-19
    1.3.2 氨法提取技术  19-20
    1.3.3 微生物提取技术  20
    1.3.4 溶液分离富集技术  20-22
  1.4 氨性体系铜镍锌萃取研究现状  22-26
    1.4.1 铜的萃取  22-24
    1.4.2 镍的萃取  24-25
    1.4.3 锌的萃取  25-26
  1.5 氨性体系萃取过程中需注意的问题  26-27
    1.5.1 氨和水的共萃  26
    1.5.2 萃取剂流失与变质  26-27
    1.5.3 氨性体系萃取过程的复杂性  27
  1.6 溶液结构研究方法在萃取化学中的应用现状  27-31
    1.6.1 电子光谱法  28
    1.6.2 分子振动光谱法  28-29
    1.6.3 核磁共振谱法  29
    1.6.4 X-射线吸收光谱  29-30
    1.6.5 量子化学计算方法  30-31
  1.7 本研究课题的提出及研究内容  31-33
    1.7.1 论文选题及意义  31-32
    1.7.2 主要研究内容  32-33
第二章 实验过程与分析方法  33-43
  2.1 实验试剂及仪器  33-34
    2.1.1 实验试剂  33
    2.1.2 实验仪器及设备  33-34
  2.2 萃取剂合成及表征  34-37
    2.2.1 萃取剂合成  34
    2.2.2 萃取剂结构表征  34-37
  2.3 金属萃取平衡实验  37-38
    2.3.1 两相溶液的配制  37
    2.3.2 金属离子萃取平衡实验  37-38
  2.4 氨和水萃取平衡实验  38
  2.5 分析测试方法  38-43
    2.5.1 溶液中金属离子浓度测定  38
    2.5.2 pH测定  38
    2.5.3 有机相中水的测定  38-39
    2.5.4 有机相中氨的测定  39
    2.5.5 紫外-可见光谱(UV-Vis)测定  39
    2.5.6 红外光谱(IR)测定  39
    2.5.7 元素分析  39-40
    2.5.8 气质联用(GC-MS)测定  40
    2.5.9 核磁共振谱(NMR)测定  40
    2.5.10 X-射线吸收光谱(XAS)测定  40
    2.5.11 X-射线吸收光谱数据处理  40-43
第三章 氨-硫酸铵溶液中铜的萃取行为及微观机理  43-65
  3.1 引言  43
  3.2 实验及分析方法  43-44
    3.2.1 实验方法  43-44
    3.2.2 分析方法  44
    3.2.3 量子化学计算  44
  3.3 氨性溶液中铜的萃取行为  44-47
    3.3.1 水相pH影响  44-46
    3.3.2 萃取剂浓度的影响  46
    3.3.3 离子强度和氨浓度的影响  46-47
  3.4 水和氨的萃取行为  47-49
    3.4.1 水的萃取行为  47-48
    3.4.2 氨的萃取行为  48-49
  3.5 萃合物微观结构分析  49-54
    3.5.1 紫外-可见吸收光谱  49-50
    3.5.2 红外光谱分析  50-51
    3.5.3 有机相的X-射线吸收光谱  51-54
  3.6 水相中铜物种及其结构研究  54-63
    3.6.1 水相中铜离子物种分布  54-55
    3.6.2 水相中铜物种的UV-Vis光谱  55-56
    3.6.3 水相中铜物种的XANES光谱  56-57
    3.6.4 XANES光谱的PCA和LCF分析  57-59
    3.6.5 EXAFS光谱分析  59-61
    3.6.6 水相中铜物种的量子化学计算  61-63
  3.7 氨性体系铜萃取机理分析  63-64
  3.8 本章小结  64-65
第四章 氨-硫酸铵溶液中镍的萃取行为及微观机理  65-85
  4.1 引言  65
  4.2 实验及分析方法  65-66
    4.2.1 实验方法  65-66
    4.2.2 镍萃合物的合成  66
    4.2.3 分析方法  66
    4.2.4 量子化学计算  66
  4.3 氨性溶液中镍的萃取行为  66-69
    4.3.1 水相pH影响  66-68
    4.3.2 萃取剂浓度的影响  68-69
    4.3.3 离子强度和氨浓度的影响  69
  4.4 水和氨的萃取行为  69-71
    4.4.1 水的萃取行为  70
    4.4.2 氨的萃取行为  70-71
  4.5 萃合物微观结构分析  71-77
    4.5.1 镍萃合物的组成  71-72
    4.5.2 镍萃合物的NMR谱  72
    4.5.3 紫外-可见吸收光谱  72-73
    4.5.4 红外光谱分析  73-75
    4.5.5 有机相的X-射线吸收光谱  75-77
  4.6 水相中镍物种及其结构研究  77-83
    4.6.1 水相中镍离子物种分布  77-78
    4.6.2 水相中镍物种的UV-Vis光谱  78-79
    4.6.3 水相中镍物种的XANES光谱  79-80
    4.6.4 EXAFS光谱分析  80
    4.6.5 镍离子的量子化学计算  80-83
  4.7 氨性体系镍的萃取机理分析  83
  4.8 本章小结  83-85
第五章 氨-硫酸铵溶液中锌的萃取行为及微观机理  85-103
  5.1 引言  85
  5.2 实验及分析方法  85-86
    5.2.1 实验方法  85-86
    5.2.2 分析方法  86
    5.2.3 量子化学计算  86
  5.3 氨性溶液中锌的萃取行为  86-89
    5.3.1 水相pH影响  86-88
    5.3.2 萃取剂浓度的影响  88
    5.3.3 离子强度和氨浓度的影响  88-89
  5.4 水和氨的萃取行为  89-91
    5.4.1 水的萃取行为  89-90
    5.4.2 氨的萃取行为  90-91
  5.5 萃合物微观结构分析  91-95
    5.5.1 紫外-可见吸收光谱  91-92
    5.5.2 红外光谱分析  92
    5.5.3 有机相的X-射线吸收光谱  92-95
  5.6 水相中锌物种及其结构研究  95-101
    5.6.1 水相锌的物种分布  95
    5.6.2 水相锌物种的XANES光谱  95-96
    5.6.3 XANES光谱的PCA和LCF分析  96-98
    5.6.4 EXAFS光谱分析  98-99
    5.6.5 锌离子的量子化学计算  99-101
  5.7 氨性体系锌萃取机理分析  101
  5.8 本章小结  101-103
第六章 氨性体系锌萃取过程中的溶剂效应和协同效应  103-126
  6.1 引言  103-104
  6.2 实验及分析方法  104-105
    6.2.1 实验方法  104
    6.2.2 分析方法  104-105
  6.3 氨性体系锌萃取过程中的溶剂效应  105-111
    6.3.1 水相pH的影响  105-106
    6.3.2 萃取剂浓度的影响  106
    6.3.3 氨浓度的影响  106-107
    6.3.4 水和氨的萃取行为  107-108
    6.3.5 有机相IR光谱分析  108-109
    6.3.6 有机相X-射线吸收光谱分析  109-111
  6.4 氨性体系锌萃取过程中的协同效应  111-118
    6.4.1 水相pH的影响  111-112
    6.4.2 协萃剂浓度的影响  112-113
    6.4.3 氨浓度的影响  113-114
    6.4.4 水和氨的萃取行为  114-115
    6.4.5 有机相IR光谱分析  115-116
    6.4.6 有机相X-射线吸收光谱分析  116-118
  6.5 氨性溶液中离子液体萃取体系萃锌研究  118-124
    6.5.1 水相pH的影响  118-119
    6.5.2 萃取剂浓度的影响  119
    6.5.3 总氨浓度的影响  119-120
    6.5.4 有机相IR光谱分析  120-121
    6.5.5 有机相X-射线吸收光谱分析  121-123
    6.5.6 萃取有机相的循环再生  123-124
  6.6 本章小结  124-126
第七章 结论与创新  126-129
参考文献  129-149
致谢  149-150
攻读学位期间主要的研究成果  150

相似论文

  1. 真空玻璃的阳极键合密封技术研究,TQ171.1
  2. (ZrB2-ZrO2)/BN复合材料的反应热压烧结及其力学性能,TB332
  3. 复合添加剂对SNCR脱硝过程的影响,X701
  4. 不同基质及植物组合的表面流湿地水质净化试验研究,X703
  5. 无磷保水剂在凡纳滨对虾虾仁冻藏加工中的应用及保水机理研究,TS254.4
  6. Cu2+/Co2+催化漂白桉木浆工艺与机理研究,TS745
  7. 竹材中非纤维素物质去除的环保工艺与方法探讨,TS652
  8. 玉米挥发性物质提取方法优化设计与应用,S513
  9. Fengycin对Rhizopus stolonifer作用机理研究,TS201.3
  10. 预氧化强化生物活性炭滤池除氮效能及机理研究,X703
  11. 褐飞虱抗药性监测、对噻嗪酮的抗性风险评估及生化机理研究,S435.112.3
  12. 菊花近缘种属植物苗期抗蚜虫性鉴定与抗蚜机理研究,S436.8
  13. 小分子有机酸对氧化亚铁硫杆菌的抑制作用及其机理的初步研究,X703
  14. 千米深立井防治水关键技术研究,TD745
  15. 油包水乳化液水击谐波破乳动力学分析及其机理研究,X703
  16. 含吡啶基团的金属配合物的合成及结构,O627
  17. 多层共挤流涎成形过程温度控制技术研究,TQ320.721
  18. 正庚烷HCCI过程低温燃烧反应热力学及动力学的理论研究,O643.21
  19. 岱庄煤矿4325轨顺陷落柱发育特征及防治技术研究,TD745
  20. 旋飞切割毁伤元高压驱动形成机理研究,TJ811
  21. 云南玉龙黎明高山丹霞地质景观的地学背景研究,P942

中图分类: > 工业技术 > 矿业工程 > 矿产资源的综合利用
© 2012 www.xueweilunwen.com