P507从硫酸体系中萃取镓的研究.pdf
P507 从硫酸体系中萃取镓的研究 ① 张魁芳1, 曹佐英2, 肖连生2, 刘志强1 (1.广东省工业技术研究院(广州有色金属研究院),广东 广州 510650; 2.中南大学 冶金与环境学院, 湖南 长沙 410083) 摘 要 基于 P507 诸多优点及镓提取现状,对 P507 从硫酸体系中萃取镓进行了研究,分别考察了料液酸度、萃取剂浓度、时间、浓 度、温度等因素对萃取与反萃的影响并绘制等温线,结果表明,在最佳条件下,采用 15%P507(体积分数)+磺化煤油作为有机相,按 相比 O/ A=1∶4,经过 3 级逆流萃取,萃取率可达到 98.56%,负载用 60 g/ L H2SO4溶液反萃,按相比 O/ A=5 ∶1,经过 5 级逆流反萃, 反萃率达 98 02%,镓富集近 20 倍。 关键词 P507; 镓; 硫酸体系; 萃取; 反萃 中图分类号 TF843.1文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2014.06.022 文章编号 0253-6099(2014)06-0090-04 Extraction of Gallium from Sulfuric Acid Solutions with Extractant P507 ZHANG Kui⁃fang1, CAO Zuo⁃ying2, XIAO Lian⁃sheng2, LIU Zhi⁃qiang1 (1.Guangdong General Research Institute of Industrial Technology(Guangzhou Research Institute of Nonferrous Metals), Guangzhou 510650, Guangdong, China; 2.School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China) Abstract P507, an extractant with excellent properties, was introduced to extract gallium from sulfuric acid solutions, and effects of feed acidity, extractant concentration, reaction time, phase ratio and temperature on extraction and stripping were investigated. The results show that under the following optimum conditions, that is, using 15%P507 (volume fraction) plus sulphonated kerosene as the extractant in O/ A ratio of 1∶ 4, the extraction rate of gallium amounted to 98.56% after a three⁃stage counter current extraction. The gallium in loaded organic phase can be stripped using 60 g/ L H2SO4solution and the stripping rate reached 98.02% after a five⁃stage counter current stripping with O/ A ratio of 5∶1, namely, gallium is enriched by nearly 20 times for the whole process. Key words P507; Ga; sulfuric acid solution; extraction; stripping P507 是一种生产工艺成熟、价格便宜、毒性小、使 用较为安全的国产萃取剂,目前已广泛用于稀土、稀散 金属、贵金属、重金属等有色金属领域[1-6]的萃取分离 以及提纯,尤其在稀土和镍钴分离[7-13]方面体现出其 独特的优越性。 镓是重要的稀散金属之一,更是当代高新技术基 础材料,具有很高的应用价值。 随着电子工业的高速 发展,镓的需求量也日益增大,因此如何简便、环保地 从含镓原料中回收镓越来越受到关注。 有关镓离子的 萃取研究较多,但主要集中在盐酸体系。 近 10 年来, 我国铅锌冶金快速增长,至 2010 年,铅锌总产量已经 高达 958 万吨[14]。 世界上约 10%的镓来自锌冶金产 业,其中又有 80%的锌是使用湿法冶金的方法得到 的,所以如何从湿法炼锌渣中有效回收镓具有重要意 义。 湿法炼锌渣中镓的浸出考虑到后续锌电积,为不 引入不利杂质离子,均采用硫酸浸出,所得浸出液 SO4 2- 不与镓形成络合。 基于上述特点有必要对 H2SO4介质中镓的萃取进行深入研究。 P507 萃取镓的研究鲜见报道,尤其在 H2SO4介质 中。 为此,系统研究 P507 萃取镓的性能对生产实践 具有指导意义。 本文以 P507 作为镓萃取剂,以镓的 硫酸溶液为研究对象,系统研究了 P507 在硫酸介质 中对镓的萃取及反萃主要因素的影响规律。 1 实 验 1.1 实验原料及试剂 P507(江西省奉新申新化工有限公司产,含量大 于 95%),稀释剂为磺化煤油;Ga2O3(国药集团化学试 ①收稿日期 2014-06-19 作者简介 张魁芳(1990-),男,江西赣州人,助理工程师,主要研究方向为湿法冶金分离及工艺应用。 第 34 卷第 6 期 2014 年 12 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.34 №6 December 2014 剂有限公司产),分析纯;氢氧化钠(南京化学试剂有 限公司产),分析纯;浓硫酸(广州化学试剂厂产),分 析纯;镓的硫酸溶液(自配)0.28 g/ L Ga 3+ , 10 g/ L H2SO4。 1.2 实验设备 125 mL 梨型分液漏斗,SXL-70 型恒温水浴振荡 器(江苏麦普龙仪器制造有限公司产),XSP 型电感耦 合等离子光谱发射仪(Thermo Electron Corporation, USA)。 1.3 实验方法 1.3.1 有机相的配制 萃取剂和磺化煤油按所需体 积比,量取于烧杯中,充分搅拌混匀后备用。 1.3.2 萃取实验 先量取一定体积的料液于 125 mL 的分液漏斗中,再量取需要体积的配制好的有机相,加 入装有水相的分液漏斗中,置于恒温水浴振荡器中匀 速振荡,根据实验所要求的条件来控制振荡过程,振荡 结束后,取出分液漏斗于萃取架上静置分相。 分析萃 余液中元素的浓度,并计算萃取率 E1 E1= 1 - [Me]a1Va1 [Me]o1Vo1 100%(1) 式中[Me]a1为萃余液中离子浓度,g/ L;[Me]o1为料液 中离子浓度,g/ L;Va1为萃余液体积,mL;Vo1为加入的 料液体积,mL。 1.3.3 反萃实验 先量取一定体积的反萃剂溶液于 125 mL 的分液漏斗中,再量取需要体积的负载有机 相,加入装有水相的分液漏斗中,置于恒温水浴振荡器 中匀速振荡,根据实验所要求的条件来控制振荡过程, 振荡结束后,取出分液漏斗于萃取架上静置分相。 分 析反萃液中元素的浓度,并计算反萃率 E2 E2= 1 - [Me]a2Va2 [Me]o2Vo2 100%(2) 式中[Me]a2为反萃液中离子浓度,g/ L;[Me]o2为负载 有机相中离子浓度,g/ L;Va2为反萃液体积,mL;Vo2为 加入的负载有机相体积,mL。 1.3.4 分析方法 水相中金属离子采用 XSP 型电感 耦合等离子光谱发射仪测定,有机相中的金属离子根 据水相中相应离子的浓度差减法得到;水相中 H+浓度 本采用酸碱滴定法测定。 2 实验结果与讨论 2.1 萃取与反萃原理 用 HA 表示 P507,萃取与反萃原理为 3 HA+Ga 3+ → GaA3 +3H+ (3) 2 GaA3+6H2SO4→ 6 HA+Ga2(SO4)3(4) 2.2 萃取结果与讨论 2.2.1 溶液中 H2SO4浓度对镓萃取率的影响 料液 初始成分为0.28 g/ L Ga 3+ ,10 g/ L H2SO4;用浓硫酸和 氢氧化钠调节料液中硫酸浓度;有机相15%(体积分 数)P507+85%磺化煤油;萃取条件为O/ A=1∶1,萃取 时间为 5 min,萃取温度为 25 ℃。 料液中 H2SO4浓度 对镓萃取率的影响如图 1 所示。 图 1 料液中 H2SO4浓度对镓萃取率的影响 从图 1 可以看出,镓萃取率随溶液中 H2SO4浓度 增大而显著降低,在 H2SO4浓度大于 40 g/ L 后,萃取 率很低。 这一规律符合式(3),因为随着溶液中 H+浓 度的增加,反应向逆方向进行,抑制了镓的萃取反应。 为保证 P507 单级萃取率,选择溶液中的 H2SO4浓度 为 2 g/ L。 2.2.2 萃取剂浓度对镓萃取率的影响 料液成分为 0.28 g/ L Ga 3+ , 2 g/ L H2SO4;萃取条件为O/ A=1 ∶ 1, 萃取时间为 5 min,萃取温度为 25 ℃。 萃取剂浓度对 镓萃取率的影响如图 2 所示。 图 2 萃取剂浓度对镓萃取率的影响 从图 2 可以看出,萃取率随着萃取剂浓度增大而 缓慢增加,但基本上维持在 99%左右,说明 15%体积 分数的 P507 已足够获得高的单级萃取率。 因此选取 萃取剂 P507 浓度为 15%。 2.2.3 萃取时间对镓萃取率的影响 料液成分为 19第 6 期张魁芳等 P507 从硫酸体系中萃取镓的研究 0 28 g/ L Ga 3+ , 2 g/ L H2SO4;P507 体积分数为 15%; 萃取条件为O/ A=1∶1,萃取温度为 25 ℃。 萃取时间 对镓萃取率的影响如图 3 所示。 从图 3 可以看出,当 萃取时间为 5 min 时,萃取就达到平衡,因此选取萃取 时间为 5 min。 图 3 萃取时间对镓萃取率的影响 2.2.4 萃取温度对镓萃取率的影响 料液成分为 0 28 g/ L Ga 3+ , 2 g/ L H2SO4;P507 体积分数为 15%; 萃取条件为O/ A=1∶1,萃取时间分别为 5 min。 萃取 温度对镓萃取率的影响如图 4 所示。 图 4 萃取温度对镓萃取率的影响 从图 4 中可以看出,萃取温度在 15~40 ℃范围变 化,萃取率基本不变,且均接近 100%。 因此,选取室 温萃取即可。 2.2.5 萃取等温曲线 本实验采用改变相比法确定 萃取等温线。 料液成分为0. 28 g/ L Ga 3+ , 2 g/ L H2SO4。 按最佳条件,P507 体积分数为 15%,稀释剂 为磺化煤油;萃取时间为 5 min,萃取温度为 25 ℃。 以 水相中 Ga 3+ 浓度为横坐标,有机相中 Ga 3+ 浓度为纵坐 标,绘制 Ga 3+ 的萃取平衡等温线,同时以相比的倒数 (O/ A)为斜率在同一坐标轴中绘制操作线,如图 5 所 示,图中各点从左至右 O/ A 分别为1∶1、1 ∶ 2、1 ∶ 4、 1∶5、1 ∶ 10、1 ∶ 20。 从图 5 可以看出,利用 McCabe⁃ Thiele 图解法可以确定当相比(O/ A)为 1 ∶ 4时,经 3 级逆流萃取,镓萃取率可接近 100%,因此,本次实验 选择萃取相比(O/ A)为 1∶4,逆流萃取级数为 3 级。 图 5 萃取等温线与操作线 2.2.6 串级模拟实验 用 4 支分液漏斗模拟 3 级逆流 萃取实验,料液成分0.28 g/ L Ga 3+ , 2 g/ L H2SO4。 有 机相15%P507(体积分数)+磺化煤油。 逆流萃取条 件为萃取相比为 O/ A=1 ∶ 4,萃取时间 5 min,萃取温 度 25 ℃,共模拟 25 排,取 1~25 排萃余液进行测定。 结果如下经过 3 级逆流萃取,萃余液 Ga 浓度为 0 0039 g/ L;镓萃取率可达到 98.56%,与理论级数基 本吻合但略偏小,主要原因是本实验 P507 并未皂化, 在串级过程中 Ga 3+ 替换 H+使得水相 pH 略有降低,所 以萃取率下降,同时负载有机相中镓浓度由差减法得 到为 1.1039 g/ L。 2.3 反萃结果与讨论 本实验反萃所用负载相都来自串级模拟实验,其 中 Ga 3+ 浓度为 1.1039 g/ L。 2.3.1 反萃剂的选择 根据萃取机理,增加 H+浓度使 萃取平衡向左移动从而达到反萃的效果,为不给体系 增加杂质离子,优先选用 H2SO4溶液作为反萃剂。 2.3.2 反萃剂 H2SO4浓度对镓反萃率的影响 负载 有机相模拟 3 级逆流萃取过程中制备的负载有机相, 含镓 1.1039 g/ L;水相H2SO4溶液;反萃条件为相比 O/ A=1∶1,反萃温度 25 ℃,反萃时间 10 min。 H2SO4 浓度对镓反萃率的影响如图 6 所示。 图 6 H2SO4浓度对镓反萃率的影响 29矿 冶 工 程第 34 卷 从图 6 可以看出,镓反萃率随着 H2SO4浓度增大 而升高,但变化幅度不大,H2SO4由 60 g/ L 增加到 220 g/ L,镓反萃率只提高了 4%左右,说明选用 60 g/ L H2SO4已足够将负载中的 Ga 3+ 反萃。 2.3.3 反萃时间对镓反萃率的的影响 负载有机相 模拟 3 级逆流萃取过程中制备的负载有机相,含镓 1 1039 g/ L;水相H2SO4溶液,浓度为 60 g/ L;反萃条 件为相比 O/ A=1∶1,反萃温度25 ℃。 反萃时间对镓 反萃率的影响如图 7 所示。 图 7 反萃时间对镓反萃率的影响 由图 7 可知,随着反萃时间增加,镓反萃率逐渐增 大,在 5 min 以后,反应基本平衡,反萃率的变化平缓。 为了提高生产效率,选取反萃时间为 5 min。 2.3.4 反萃温度对镓反萃率的影响 负载有机相模 拟 3 级逆流萃取过程中制备的负载有机相,含镓 1 1039 g/ L;水相H2SO4溶液,浓度为 60 g/ L。 反萃 条件为相比 O/ A=1∶1,反萃时间 5 min。 反萃温度对 镓反萃率的影响如图 8 所示。 由图 8 可知,镓反萃率 随温度增大而增大,但变化幅度不大,温度由 15 ℃升 高到 45 ℃,镓反萃率仅增加了不到 1%,可以说镓反 萃率受温度的影响不大。 因此选取反萃温度为 25 ℃, 即室温进行实验。 图 8 反萃温度对镓反萃率的影响 2.3.5 反萃等温线 采用改变相比法确定反萃等温 线。 负载有机相模拟 3 级逆流萃取过程中制备的负 载有机相,含镓 1. 1039 g/ L。 按最佳条件,反萃剂 H2SO4溶液,浓度为 60 g/ L。 反萃时间 5 min,反萃温 度 25 ℃,从左至右相比 O/ A 依次为 1 ∶ 1、2 ∶ 1、4 ∶ 1、 5∶1、10∶1、20∶1进行反萃实验。 以有机相中 Ga 3+ 浓度 为横坐标,水相中 Ga 3+ 浓度为纵坐标,绘制 Ga 3+ 的反 萃平衡等温线,同时以相比的倒数(O/ A)为斜率在同 一坐标轴中绘制操作线,如图 9 所示。 图 9 反萃等温线与操作线 利用 McCabe⁃Thiele 图解法可以确定 当相比 (O/ A)= 5 ∶1时,经过 5 级逆流反萃,镓的反萃率达到 98%以上。 采用 6 支分液漏斗模拟逆流反萃过程,稳定 后,反萃液中镓含量可达到 5.41 g/ L,反萃率为 98.02%。 3 结 论 1) P507 在低酸度 H2SO4体系中对镓有很好的萃 取性能。 2) 在 H2SO4体系中(料液成分为0.28 g/ L Ga 3+ , 2 g/ L H2SO4),萃取有机相组成为15%P507+85%磺化 煤油,萃取温度为 25 ℃,萃取时间为 5 min,相比 (O/ A)= 1 ∶4条件下,经 3 级逆流萃取,镓的萃取率达 到 98.56%。 3) 以 60 g/ L H2SO4溶液作为反萃剂,反萃温度 为 25 ℃,反萃时间为 5 min,反萃相比(O/ A)= 5∶1,经 5 级逆流反萃,镓反萃率达到 98.02%。 反萃液中镓由 0.28 g/ L 富集到 5.41 g/ L,富集了近 20 倍。 参考文献 [1] 朱 萍,古国榜,贾宝琼. 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(下转第 96 页) 39第 6 期张魁芳等 P507 从硫酸体系中萃取镓的研究 料中硫化锌精矿主要含有硫化锌(ZnS);从图 4(a)可 知,锌阳极泥则主要含有隐钾锰矿(K2-xMn8O16)和铅 矾(PbSO4),这与文献报道的非常一致[6];由图 4(c) 可知,隐钾锰矿(K2-xMn8O16)物相完全消失,衍射峰中 出现未反应彻底的 ZnS、没有参与反应的 PbSO4及少 量 PbS,焙烧样中没有明显的 MnSO4晶相,可能与生 成的 MnSO4结晶性差有关。 将混合焙烧样在搅拌条 件下 80 ℃水浸 2 h,浸出液经蒸发结晶,得到粗硫酸锰 产品。 粗硫酸锰产品的化学元素分析结果见表 2。 表 2 蒸发结晶后产品的化学元素分析(质量分数) / % MnZnCaKMgNa 22.540.641.895.030.330.23 CdPbSrCoFeSi 0.780.0170.0130.00410.00510.0099 从表 2 知,粗硫酸锰产品中, Mn 的含量达到 22 54%,Zn 的含量只有 0.64%,进一步证实了经混合 焙烧过程,锌阳极泥中的(K2-xMn8O16)物相被硫化锌 精矿中的硫化锌还原为二价锰,经热水浸出进入溶液 中。 对粗硫酸锰产品进行硫化物除重金属、氟化物除 钙镁、高锰酸钾氧化、水解除铁,同时高锰酸钾氧化部 分 Mn 2+ 生成化学活性的 MnO2,吸附 CaF2、MgF2沉淀 物和氢氧化铁水解产物,可进一步制备高纯硫酸锰产 品[7-13]。 4 结 论 1) 锌阳极泥⁃硫化锌精矿互为氧化还原剂混合焙 烧过程,首先发生 2ZnS+3O22ZnO+2SO2,然后 发生 MnO2 +SO 2MnSO4。 2) 将锌阳极泥与硫化锌精矿按照质量比 1 ∶1.5 混合后,利用差示/ 热重(DSC⁃TG)分析技术确定焙烧 温度为 760 ℃,对焙烧样进行 X 衍射分析表明,隐钾 锰矿(K2-xMn8O16)物相完全消失。 焙烧样经直接热水 浸出,浸出液经蒸发结晶后,粗产品进行电感耦合高频 等离子体(ICP)分析,结果表明粗产品中锰含量达到 22.54%,而锌含量则只有 0.64%。 3) 对粗硫酸锰产品进行硫化物除重金属、氟化物 除钙镁、高锰酸钾氧化、水解除铁,同时高锰酸钾氧化 部分 Mn 2+ 生成化学活性的 MnO2,吸附 CaF2、MgF2沉 淀物和氢氧化铁水解产物,可以制备高纯硫酸锰产品。 参考文献 [1] Pourbaix M, Atlas D. 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