ChemicalSeparation教授联系方式：线分离技术金属原料金属溶液化学分离产品制备（1）离子交换（2）吸附（3）溶剂萃取（4）膜分离（5）泡沫浮选（6）沉淀（1）化学沉淀、结晶（2）金属沉积（电积与金属置换）产品制备化学选矿原则流程溶剂萃取在化学选矿中的作用5.1溶剂萃取概述5.2萃取平衡及其过程参数5.3萃取体系与萃取剂5.4影响萃取平衡的因素5.5萃取过程动力学及影响因素5.6萃取工艺5.1溶剂萃取概述1）物理萃取、化学萃取2）溶剂萃取发展历史3）溶剂萃取的应用4）溶剂萃取相关概念5）萃取过程1）物理萃取与化学萃取5.1溶剂萃取概述物理萃取不化学萃取液/液萃取常可分为物理萃取和化学萃取。物理萃取：基本上是不涉及化学反应的液/液之间的物质传递过程，它在石油化工中应用得比较广泛。化学萃取：是涉及化学反应的液/液之间的物质传递过程，它主要用于金属的提取和分离，如有色金属、贵金属和稀土金属的湿法冶炼。这个过程在原子能工业、冶金工业、环境保护等方面得到广泛的应用。本课程重点是金属的化学萃取2）溶剂萃取发展历史5.1溶剂萃取概述溶剂萃取的早期发展：金属溶剂萃取的起源甚早，在19世纪中叶人们就知道可以用有机溶剂萃取某些无机化合物。如1842年Peligot就用二萃取了硝酸铀酰。1872年Berthelot和Jungfleisch根据经验提出了液—液分配的定量关系。1891年能斯特(Nernst)从热力学观点对此进行了阐明。能斯特定律为萃取化学的发展奠定了最早的理论基础。但是直到第二次世界大战以前，溶剂萃取的发展是不快的，也没有获得有实际价值的应用。2）溶剂萃取发展历史5.1溶剂萃取概述溶剂萃取的快速发展：在40年代末期，当磷酸三丁酯(TBP)作为核燃料的萃取剂被使用以后，溶剂萃取法得到了日益扩大的应用和发展。直到目前，世界上对核燃料的提取主要仍是使用溶剂萃取法进行的。与其它的分离方法(如沉淀法、离子交换法等)相比，溶剂萃取法具有分离效果好，生产能力大，便于快速连续操作，过程中存储量小，较安全、易于实现自动控制等优点。溶剂萃取近期发展：近20年来，溶剂萃取与超临界流体技术、胶体化学、表面化学、膜分离、离子交换等技术相结合,产生了一系列新的萃取分离技术，如超临界萃取、反胶团萃取、双水相萃取等，从而使溶剂萃取技术不断地向广度与深度发展。3）溶剂萃取的应用5.1溶剂萃取概述溶剂萃取法的应用并不仅限于原子能工业。L型萃取剂萃取铜的发现标志着萃取法已扩大到有色金属的提炼与纯化方面。近年来，萃取法已推广到稀土元素、锆、铪、铌、钽、铜、钴、镍、金、银和铂族元素等有色金属、稀有和贵重金属的生产中。萃取法也用于化学工业，已广泛地用于磷酸的生产。溶剂萃取法在石油工业中也有着大规模的应用。据统计，至今已对周期表中的94种元素的萃取性能进行了研究。金属溶液的来源：（1）浸矿溶液用浸出方法获得，主要包括3类：酸性金属溶液；碱性金属溶液；中性盐及酸性盐金属溶液。金属浓度：数毫克/升～数十克/升。（2）天然含金属溶液：如海水中的铀（10－6~10－9g/l）、镁等，浓度极小。（3）含金属废水：来自冶金、化工、机械、金属加工的工业过程，如冶金废水、电镀废水、酸洗废水等，组成极为复杂。金属溶液5.1溶剂萃取概述4）溶剂萃取相关概念4）溶剂萃取相关概念5.1溶剂萃取概述溶剂萃取：是指在被分离物质的水溶液中，加入与水互不混溶的有机溶剂，借助于萃取剂的作用，使一种或几种组分进入有机相，而另一些组分仍留在水相，从而达到分离的目的。例子：向含碘的水中加入一些四氯化碳，混合后静置分层，此时绝大部分碘转入到下面的四氯化碳层中，由于碘的特有颜色，这个物质转移的过程可以很清楚地观察到。在这个例子中，被萃物碘转入四氯化碳是由于它在四氯化碳中的溶解度大于它在水中的溶解度，这是一种物理分离。而在更多的情况下，被萃取对象(例如金属离子)要与试剂(即萃取剂)发生化学作用。萃取:是指溶于某一液相(如水相)的一个或多个组分，在与第二液相(如有机相)接触后转入后者的过程。这两个液相是不相混溶或部分混溶的。显然，萃取过程是液、液相之间的传质过程。5.1溶剂萃取概述“相”：指系统中有相同物理性质和化学性质的均匀部分。相与相之间有清晰的界面，可以用机械方法将它们分开，水和四氯化碳就是系统中的两相。液—液萃取萃取(extraction)一词可以指在任意两相之间的传质过程，但这里指的是在两个液相之间的传质，这个过程又常称为液—液萃取。萃取剂、稀释剂、添加剂：萃取剂：指与被萃物质能形成化学结合的萃合物的有机试剂，形成的萃合物及萃取剂本身皆能溶于稀释剂中。稀释剂：一种一般不与被萃物发生化学作用，不溶于水而能溶解萃取剂和萃合物的有机溶剂。添加剂：是为改善萃取过程和提高萃取效率而添加的有机溶剂。在上例中，四氯化碳就是一种溶剂，也叫萃取剂。4）溶剂萃取相关概念5.1溶剂萃取概述5）萃取过程溶剂萃取原则流程图5.1溶剂萃取概述5）萃取过程萃取过程通常分四个阶段萃取阶段：含目的组分的水相与含有机溶剂的有机相在萃取设备中混合，此时目的组分从水相选择性地转入有机相，然后静止分层得到荷载目的组分和共萃杂质的负载有机相和已不含目的组分的水相洗涤阶段：主要目的为脱除萃取阶段得到的负载有机相中所含的共萃杂质。用适当的试剂（洗涤剂，为水相）洗去负载有机相中的少量共萃杂质，洗后液一般返回萃取以回收其中的目的组分。反萃阶段：该过程为萃取过程的逆过程。经洗涤净化后的负载有机相用适当的反萃剂使其中的目的组分转入水相，得到目的组分含量高的反萃液，这一过程即为反萃取。对反萃液进一步处理可得化学精矿产品。有机相再生阶段：反萃后的有机相常需要进行进一步处理从而恢复有机相的萃取性能，该过程为有机相再生阶段。在萃取工艺中，萃取和反萃是不可少的作业，而洗涤和再生作业有时可省去。5.1溶剂萃取概述5.2萃取平衡及其过程参数5.3萃取体系与萃取剂5.4影响萃取平衡的因素5.5萃取过程动力学及影响因素5.6萃取工艺5.2萃取平衡及其过程参数前述:萃取过程就是溶于第一液相的物质部分或几乎全部地转入第二液相的过程。以下对“部分或几乎全部”进行分析。图中下标org表示有机相，aq表示刚开始时，有机相中的浓度急剧上升；随后，上升的速度下降；最后达一恒定的值，即萃取反应达到平衡。被萃物A在有机相与水相中的浓度与时间的关系图5.2萃取平衡及其过程参数1）分配定律2）萃取过程参数3）萃取平衡常数4）萃取等温线）分配定律下表是溴在水和四氯化碳之间分配的情况分别表示溴在平衡有机相和平衡水相中浓度。当溴浓度不太高，尽管溴在两相中的浓度有所改变，但两相中平衡浓度的比值λ基本保持常数，但当浓度上升到一定值后，λ发生明显的变化。 orgBr 间的分配[Br ]aq/g/L[Br 0.24786.691 27 0.3803 10.27 27 0.4476 12.09 27.02 0.5761 15.72 27.26 0.7711 21.53 27.92 2.054 58.36 28.41 5.651 172.6 30.54 7.091 252.8 32.01 14.42 545.2 37.82 5.2萃取平衡及其过程参数 1）分配定律 1872年Berthelot根据实验得出了“溶于两等体积的溶液中 的物质的量之比值是一常数” 1891年能斯特从热力学推导出“分配定律”： “当某一溶质在两个基本不相混溶的溶剂中分配时，在一定 温度下两相达到平衡后，如果溶质在两相中的分子量相等，则在 两相中的平衡浓度之比为一常数。称为分配常数， 用λ表示” 5.2萃取平衡及其过程参数 2）萃取过程参数 式中「Ai]表示A的第i个品种的浓度。 D=1表明A在两相中的浓度相等； 0表明几乎没有任何萃取。分配比和分配常数不一样。它在一般情况下不是一个常数，而 是随体系条件而变化。只有两相中的被萃物的化学形式只有一种 而且彼此相同时，分配比才等于分配常数。 在科研和生产中，分配比是最常用的参数之一。 分配比(分配系数) 物质A在两相中的形态可能不同，而且可能在每一相中的化学形 式均不仅为一种，对于A在两相中的总浓度之比值，则称为分配 比或分配系数: 5.2萃取平衡及其过程参数 萃取率、相比 萃取效率以萃取率E表示，是被萃物质在有机相中的量Qorg占它在两相中总 量（Qorg+ Qaq)的百分数。它与两相的体积V和分配比D有如下的关系: R称为相比，即有机相的体积与水相体积之比值。则 5.2萃取平衡及其过程参数 当R=1，即等体积萃取时，当D很大时，用E来表示萃取结果已不明晰，用D值则更能清楚的 表示不同情况之间的区别。这就是为什么在研究工作中，D值使用 得更多一些的原因。 0.010.49 0.99 1.96 0.1 4.76 9.09 16.5 33.350 66.7 10 83.3 90.9 92.5 50 96.1 98 99 100 98 99 99.5 2）萃取过程参数 不同相比和分配比时的萃取率5.2 萃取平衡及其过程参数 分离系数 如果水相中存在有两种以上的溶质，由于它们的分配系数不一，这两种溶 质(A、B)在萃取后就会有一定程度的分离，如D 用分离系数β表示两种物质的分离效果，分离系数是被分离的物质A和B在同一萃取体系内、在相同条件下分配比的比值:

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