乳状液膜技术提取红土矿浸出液中镍的研究

论文摘要

乳状液膜技术具有快速、高效、高选择性、经济节能等优点,本研究利用乳状液膜技术的上述优点,首次将其应用于提取红土矿浸出液中的镍。采用“水/油/水”型（W/O/W型）含有流动载体的乳状液膜技术回收镍,以乳状液膜为研究对象,考查各因素对镍提取效果的影响,确定有效的液膜体系与工艺条件,不断提高镍离子的提取效果。采用内相为NH3·H2O、NaOH、Na2S三种乳状液膜体系,进行乳状液膜稳定性、液膜提取效果、液膜传质机理、膜内反应、乳液破乳、膜相循环利用,以及实际应用方面的研究。采用加压酸浸法对红土矿进行浸出实验,确定浸出条件：反应温度为250℃、搅拌速度为300r/min、酸矿比为0.45g（H2SO4）/g（矿）,保温时间为1.5h。在此条件下,浸出液成分为：酸度为29.5g/L, Fe3+浓度为1.40g/L,Ni2+浓度为1.89g/L,此时红土矿中镍的浸出率为95%。采用内水相络合乳状液膜法,制成NH3·H2O体系乳状液,通过考查各因素对乳状液稳定性和液膜提取效果的影响,确定该体系制乳和分离条件为Span80:TBP:液体石蜡：煤油=5：4：2：89（体积比）,内水相NH3·H2O浓度为1.5mol/L,油相体积分数为50%,制乳搅拌速度4000r/min,制乳搅拌时间20min；分离时,乳水比为1：3,外水相Ni2+浓度为500mg/L,此时该体系乳状液膜法对镍的提取效率可达90%。采用乳状液稳定性和液膜提取效果相结合的方法,确定NaOH体系制乳和分离条件为Span80:TBP:液体石蜡：煤油=6：4：2：88（体积比）,内水相NaOH浓度为0.3mol/L,油相体积为50%,制乳搅拌速度为4500r/min,制乳搅拌时间为20min。在乳水比为1：3的条件下,提取分离Ni2+浓度为300mg/L的外水相,镍的去除率可达91%。基于内相沉淀乳状液膜法,工艺简单、富集比高的优点,制成Na2S体系乳状液,并采用乳状液稳定性和液膜提取效果相结合的方法,确定其制乳和分离条件为Span80:TBP:液体石蜡：煤油=5：4：2：89（体积比）,内水相Na2S浓度为0.3mol/L,油相体积分数为50%,制乳搅拌速度4000r/min,制乳时间20min,乳水比为1：4,外水相Ni2+浓度为500mg/L,此时该体系乳状液膜法对镍的提取效率可达91%。乳状液膜稳定性研究,采用电导率法和彩像显微法两种方法。电导率法是利用油相与水相电导率的差异来研究乳状液的稳定性。对于W/O型乳状液,电导率越小,说明其连续相已经变成油相,乳状液更稳定。电导率法研究结果显示,乳状液电导率低于5μs/cm时,液膜稳定性较好。彩像显微法结果显示,乳状液液滴粒径越小,小粒径液滴分布得越均匀,液膜稳定性越好。同时乳状液膜稳定性越好,对镍的提取效率越高。采用微分法、求表观活化能等方法研究乳状液膜传输镍离子的动力学过程,从理论上探讨乳状液膜法对镍的提取能力,以指导乳状液膜技术在红土矿湿法冶金中的应用。结果表明,NH3·H2O体系乳状液膜反应的时间级数为2,浓度级数为1,时间级数大于浓度级数；同时该体系的提取速率随温度升高而增大,反应表观活化能较大,该反应属于化学反应控制过程。NaOH体系和Na2S体系乳状液膜反应的时间级数与浓度级数相等,且均为1,该体系乳状液膜反应为准一级反应过程；两体系乳状液膜反应提取速率随温度升高变化不大,反应表观活化能较小,NaOH体系和Na2S体系反应属于扩散控制过程。乳液破乳是影响乳状液膜技术应用的一项重要工作。分别采用超声波破乳、离心破乳、加热破乳、加热-离心联合破乳,以及超声-加热联合破乳法,乳液破乳研究结果表明,采用加热-离心联合破乳法,NH3·H2O、NaOH和Na2S三种乳状液膜的破乳率分别为98%、96%、98%。乳液破乳中发现NaOH和Na2S体系乳状液破乳比NH3·H20体系破乳难度大,这是由于前两种体系的乳状液膜反应过程中,在内水相有固体沉淀物生成,乳状液的“固体稳定作用”使之破乳较困难。本论文采用延长破乳时间的方法,也可获得较理想的破乳率。采用红外光谱和拉曼光谱法,对乳状液膜的膜内反应过程进行研究。红外光谱法研究发现,提取镍后的乳液在467cm-1处有特征峰出现,该峰归属于膜相络合物[Ni（TBP）n]2+的特征峰。拉曼光谱研究发现,提取镍后的乳液在510cm-1处有特征峰出现,该峰归属于膜相络合物[Ni（TBP）n]2+的拉曼峰。破乳后油相与原始油相的红外光谱和拉曼光谱相比较,吸收峰的位置与强度均无变化,说明油相可以重复利用。红外光谱和拉曼光谱法均证明NH3·H2O、NaOH、Na2S三种乳状液膜体系膜内反应的发生,且膜相可以循环利用。采用加压酸浸-乳状液膜法提取红土矿中的镍,按照“制乳-分离-破乳-再制乳-再分离”,如此循环对实际体系进行实验研究,结果表明提取效率可达92%以上。本论文所选用的三种乳状液膜体系,在应用于提取红土矿酸浸液中镍时,实验效果均比较稳定,且液膜可以循环利用。乳状液膜技术可推荐为红土矿加压酸浸项目的扩大试验应用,本实验中所取得的各个工艺参数可作为今后工业试验的参考和依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 乳状液膜法概述
• 1.1.1 乳状液膜技术特点
• 1.1.2 乳状液膜的分类
• 1.1.3 有载体液膜分离机理
• 1.2 乳状液膜法提取镍的研究现状
• 1.2.1 膜相组成的选择
• 1.2.2 操作条件的确定
• 1.3 镍红土矿的加压酸浸工艺
• 1.3.1 加压酸浸工艺（简称为HPAL）
• 1.3.2 镍红土矿酸浸液中金属的富集方法
• 1.4 本论文选题意义及研究内容
• 1.4.1 本论文选题意义
• 1.4.2 本论文的研究内容
• 第2章 红土矿加压酸浸实验
• 2.1 实验
• 2.1.1 原料
• 2.1.2 实验试剂
• 2.1.3 实验设备
• 2.1.4 分析方法
• 2.1.5 浸出实验
• 2.2 红土矿的物相及形貌
• 2.3 加压浸出条件实验
• 2.3.1 浸出温度的影响
• 2.3.2 酸矿比的影响
• 2.3.3 保温时间的影响
• 2.4 本章小结
• 3·H₂O体系乳状液膜法提取镍的研究'>第3章 NH₃·H₂O体系乳状液膜法提取镍的研究
• 3.1 实验
• 3.1.1 实验试剂与设备
• 3.1.2 乳状液膜法实验
• 3.1.3 膜内反应实验
• 3.1.4 分析方法
• 3.1.5 实验参数计算
• 3·H₂O体系液膜稳定性与提取效果实验研究'>3.2 NH₃·H₂O体系液膜稳定性与提取效果实验研究
• 3·H₂O体系Span80含量的确定'>3.2.1 NH₃·H₂O体系Span80含量的确定
• 3·H₂O体系TBP含量的确定'>3.2.2 NH₃·H₂O体系TBP含量的确定
• 3·H₂O浓度的确定'>3.2.3 内水相NH₃·H₂O浓度的确定
• 3·H₂O体系油相体积分数的确定'>3.2.4 NH₃·H₂O体系油相体积分数的确定
• 3·H₂O体系制乳搅拌速度的确定'>3.2.5 NH₃·H₂O体系制乳搅拌速度的确定
• 3·H₂O体系制乳搅拌时间的影响'>3.2.6 NH₃·H₂O体系制乳搅拌时间的影响
• 3·H₂O体系乳水比的影响'>3.2.7 NH₃·H₂O体系乳水比的影响
• 3·H₂O体系外水相Ni²⁺浓度对提取效率的影响'>3.2.8 NH₃·H₂O体系外水相Ni²⁺浓度对提取效率的影响
• 3·H₂O体系外水相酸度对提取效果的影响'>3.2.9 NH₃·H₂O体系外水相酸度对提取效果的影响
• 3·H₂O体系破乳研究'>3.3 NH₃·H₂O体系破乳研究
• 3·H₂O体系离心破乳研究'>3.3.1 NH₃·H₂O体系离心破乳研究
• 3·H₂O体系超声破乳研究'>3.3.2 NH₃·H₂O体系超声破乳研究
• 3·H₂O体系加热破乳研究'>3.3.3 NH₃·H₂O体系加热破乳研究
• 3·H₂O体系加热-离心联合破乳'>3.3.4 NH₃·H₂O体系加热-离心联合破乳
• 3·H₂O体系超声-加热联合破乳'>3.3.5 NH₃·H₂O体系超声-加热联合破乳
• 3·H₂O体系油相循环利用研究'>3.3.6 NH₃·H₂O体系油相循环利用研究
• 3·H₂O体系膜内反应研究'>3.4 NH₃·H₂O体系膜内反应研究
• 3·H₂O体系红外光谱研究'>3.4.1 NH₃·H₂O体系红外光谱研究
• 3·H₂O体系拉曼光谱研究'>3.4.2 NH₃·H₂O体系拉曼光谱研究
• 3·H₂O体系乳状液膜法提取酸浸液中的镍'>3.5 NH₃·H₂O体系乳状液膜法提取酸浸液中的镍
• 3.6 本章小结
• 第4章 NaOH体系乳状液膜法提取镍的研究
• 4.1 实验
• 4.1.1 实验试剂与设备
• 4.1.2 实验方法
• 4.2 NaOH体系乳状液膜法提取镍
• 4.2.1 NaOH体系表面活性剂含量的确定
• 4.2.2 NaOH体系流动载体含量的确定
• 4.2.3 内水相NaOH浓度的确定
• 4.2.4 NaOH体系油相体积分数的确定
• 4.2.5 NaOH体系制乳搅拌速度的确定
• 4.2.6 NaOH体系制乳搅拌时间的确定
• 2+提取效率的影响'>4.2.7 NaOH体系乳水比对Ni²⁺提取效率的影响
• 2+浓度对提取效率的影响'>4.2.8 NaOH体系外水相Ni²⁺浓度对提取效率的影响
• 2+提取效率的影响'>4.2.9 NaOH体系外水相酸度对Ni²⁺提取效率的影响
• 4.3 NaOH体系破乳研究
• 4.3.1 NaOH体系离心破乳研究
• 4.3.2 NaOH体系超声破乳研究
• 4.3.3 NaOH体系加热破乳研究
• 4.3.4 NaOH体系加热-离心联合破乳
• 4.3.5 NaOH体系超声-加热联合破乳
• 4.3.6 NaOH体系膜相循环利用研究
• 4.4 NaOH体系膜内反应研究
• 4.4.1 NaOH体系红外光谱研究
• 4.4.2 NaOH体系拉曼光谱研究
• 4.5 NaOH体系乳状液膜法处理酸浸液
• 4.6 本章小结
• 2S体系乳状液膜法提取镍的研究'>第5章 Na₂S体系乳状液膜法提取镍的研究
• 5.1 实验
• 5.1.1 实验试剂与设备
• 5.1.2 实验方法
• 2S体系乳状液膜法影响因素研究'>5.2 Na₂S体系乳状液膜法影响因素研究
• 2S体系膜相组成的确定'>5.2.1 Na₂S体系膜相组成的确定
• 2S体系制乳条件的确定'>5.2.2 Na₂S体系制乳条件的确定
• 2S体系提取条件的确定'>5.2.3 Na₂S体系提取条件的确定
• 2S体系破乳研究'>5.3 Na₂S体系破乳研究
• 2S体系破乳方法选择'>5.3.1 Na₂S体系破乳方法选择
• 2S体系联合破乳法'>5.3.2 Na₂S体系联合破乳法
• 2S体系膜相循环利用研究'>5.3.3 Na₂S体系膜相循环利用研究
• 2S体系膜内反应研究'>5.4 Na₂S体系膜内反应研究
• 2S体系红外光谱研究'>5.4.1 Na₂S体系红外光谱研究
• 2S体系拉曼光谱研究'>5.4.2 Na₂S体系拉曼光谱研究
• 2S体系乳状液膜提取法红土矿酸浸液中的镍'>5.5 Na₂S体系乳状液膜提取法红土矿酸浸液中的镍
• 5.6 本章小结
• 第6章 乳状液膜法提取镍的传质机理研究
• 6.1 实验
• 6.1.1 微分法实验
• 6.1.2 表观反应活化能
• 6.2 乳状液膜法提取镍的传质过程
• 3·H₂O体系乳状液膜法传质分析'>6.3 NH₃·H₂O体系乳状液膜法传质分析
• 3·H₂O体系乳状液膜法动力学'>6.3.1 NH₃·H₂O体系乳状液膜法动力学
• 3·H₂O体系乳状液膜反应表观活化能'>6.3.2 NH₃·H₂O体系乳状液膜反应表观活化能
• 6.4 NaOH体系乳状液膜法传质分析
• 6.4.1 NaOH体系乳状液膜法动力学分析
• 6.4.2 NaOH体系乳状液膜反应表观活化能
• 2S体系乳状液膜法传质分析'>6.5 Na₂S体系乳状液膜法传质分析
• 2S体系乳状液膜法动力学分析'>6.5.1 Na₂S体系乳状液膜法动力学分析
• 2S体系乳状液膜反应表观活化能'>6.5.2 Na₂S体系乳状液膜反应表观活化能
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文
• 个人简介