膜分散萃取分离轻稀土元素

发布时间：2020-10-08 19:47

　　 基于混合澄清槽的稀土溶剂萃取工艺存在着诸如传质速率慢、级效率低、设备占地面积大等问题。绿色高效的稀土分离过程成为了研究热点。鲜见使用膜分散技术溶剂萃取分离稀土的报道研究。膜分散技术能有效控制分散液滴尺寸,增大相际比表面积,实现相际间快速传质,为解决混合澄清槽萃取分离工艺存在的问题提供了新的方法。本文首次使用了自制的膜分散微萃取器,研究了稀土的溶剂萃取分离过程。研究了皂化P507-煤油-盐酸体系平衡萃取镧和铈的工艺。研究了皂化P507-煤油-盐酸体系萃取La(III)和Ce(III)形成的络合物结构,通过饱和容量测定皂化P507萃取稀土离子的萃合物结构为RE(HL)3L3。分析了皂化P507与稀土离子反应的机理,比较了平衡水相pH与初始水相pH之间的关系,分析了皂化P507萃取镧和铈在不同平衡pH条件下的反应机理。建立了不同条件用于预测稀土离子分配比的数学模型。研究了皂化P507-煤油-盐酸体系膜分散行为。根据单孔分散理论,首次理论计算分析了皂化P507-煤油-盐酸体系的膜分散规律;使用自制膜分散装置和高速扫描摄像机抓拍系统实验观测了液滴分散规律。皂化P507浓度的增大和初始水相的pH的增大都会减小两相之间的界面张力,从而减小分散液滴直径。增大连续相流量可以明显增大液滴所受剪切力,液滴直径减小。在本论文所用实验设备条件下,P507分散液滴沙特平均直径最小可达38μm。实验研究了皂化P507-煤油-盐酸体系膜分散萃取轻稀土的工艺过程。首次使用自制膜分散微萃取器,用皂化P507-煤油体系萃取了盐酸溶液中的La、Ce、Pr、Nd四种单一稀土元素,分析了体系的物性参数和工艺条件对萃取率和萃取速率的影响。最优条件下,实验体系在2s内,La、Ce、Pr、Nd的萃取率都能达到100%。使用Newman的分散液滴直径的分传质系数的经验模型,计算了膜分散萃取轻稀土的分传质系数。根据温度对反应速率常数的影响,计算了四种轻稀土元素的表观反应活化能。皂化P507萃取La、Ce、Pr和Nd的表观活化能分别为71.3kJ/mol、47.4kJ/mol、24.2kJ/mol和21.1kJ/mol。分析传质阻力发现,在膜分散微萃取器内,减小水相酸度可以使萃取过程由反应控制转为有机相传质和反应共同控制过程。增大膜分散微萃取两相总流量使萃取过程由有机相传质控制过程转变为反应传质控制过程。研究了皂化P507-煤油-盐酸体系膜分散萃取分离轻稀土双元素的工艺过程。首次使用膜分散微萃取器萃取分离了Ce/La、Pr/Ce和Nd/Pr三组轻稀土双元素。提出控制萃取时间的方法分离稀土元素,分析了P507浓度、初始水相酸度、油水两相总流量,分散相流量等对双元素萃取率分离系数的影响。平衡分离系数为1.50的Ce/La体系,膜分散萃取最优条件下,分离系数可达16.2,为平衡分离系数的10.8倍,Ce的萃取率为91%,La的萃取率为38%。平衡分离系数为1.21的Pr/Ce体系,膜分散萃取最优条件下,分离系数可达2.28,是平衡分离系数的1.88倍,Pr的萃取率为81%,Ce的萃取率为65%。平衡分离系数为1.10的Nd/Pr体系,膜分散萃取最优条件下,分离系数可达1.57,是平衡分离系数的1.43倍,Nd的萃取率为54%,Pr的萃取率为43%。
【学位单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TF845
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 本论文研究背景和意义
    1.2 稀土溶剂萃取
        1.2.1 稀土溶剂萃取设备
        1.2.2 稀土萃取体系
    1.3 膜分散技术及其应用
        1.3.1 膜乳化技术
        1.3.2 膜分散传质过程
        1.3.3 膜分散材料制备过程
    1.4 本论文拟解决的关键问题和研究内容
    参考文献
第2章 皂化P507-煤油体系平衡萃取镧和铈
    2.1 皂化P507-煤油体系萃取镧、铈平衡实验
        2.1.1 实验试剂和材料
        2.1.2 实验方法和分析方法
    2.2 皂化P507-煤油体系萃取镧、铈实验结果与讨论
        2.2.1 皂化P507-煤油体系萃取镧和铈萃合物的确定
        2.2.2 皂化P507-煤油体系萃取镧和铈的水解反应
        2.2.3 皂化P507-煤油体系萃取镧和铈的萃取机理
    2.3 皂化P507-煤油萃取镧和铈的平衡分配模型的建立
    2.4 本章小结
    参考文献
第3章 P507-煤油-盐酸体系的膜分散行为
    3.1 P507-煤油-盐酸体系膜分散液滴直径的理论计算
        3.1.1 膜分散液滴受力数学模型
        3.1.2 皂化P507-煤油-盐酸体系物性及其膜分散器结构参数
        3.1.3 理论计算结果与分析
    3.2 P507-煤油-盐酸体系膜分散实验
        3.2.1 实验材料和方法
        3.2.2 分析方法
        3.2.3 P507-煤油-盐酸体系膜分散实验的结果与讨论
    3.3 本章小结
    参考文献
第4章 皂化P507-煤油-盐酸体系膜分散萃取轻稀土
    4.1 膜分散萃取轻稀土传质实验
        4.1.1 实验材料和方法
        4.1.2 分析方法
    4.2 膜分散萃取轻稀土传质结果与讨论
        4.2.1 物性参数和工艺条件对萃取率的影响
        4.2.2 物性参数和工艺条件对传质速率的影响
        4.2.3 物性参数和工艺条件对传质控制机制的影响
    4.3 膜分散反萃取实验
    4.4 本章小结
    参考文献
第5章 皂化P507-煤油-盐酸体系膜分散萃取分离轻稀土双元素
    5.1 膜分散萃取分离轻稀土传质实验
        5.1.1 实验材料和方法
        5.1.2 分析方法
    5.2 膜分散萃取分离轻稀土传质分离结果与讨论
        5.2.1 P507浓度对双元素轻稀土萃取和分离的影响
        5.2.2 初始水相酸度对双元素轻稀土萃取和分离的影响
        5.2.3 两相总流量对双元素轻稀土萃取和分离的影响
        5.2.4 分散相流量对双元素轻稀土萃取和分离的影响
    5.3 本章小结
    参考文献
结论
攻读学位期间发表论文与研究成果清单
致谢
作者简介


本文编号：2832677