一種用于鈷、鎳分離的全界面接觸高效萃取設(shè)備

周恩民，洪曉東，羅榮晶，華 麗

（江蘇沃民環(huán)境科技有限公司，江蘇 南京 210009）

溶劑萃取是濕法冶金中一種廣泛應(yīng)用的分離方法，高效萃取設(shè)備對(duì)實(shí)現(xiàn)良好的萃取效果有重要意義。傳統(tǒng)的萃取設(shè)備主要有3種：混合澄清室，萃取塔，離心萃取器［1］。這3類(lèi)萃取設(shè)備的研究主要集中在如何使占地面積變小、縮短停留時(shí)間、增大澄清速率、減小萃取劑夾帶損失、更好地控制萃取相連續(xù)性這些問(wèn)題上。而我們研究的是一種創(chuàng)新型萃取設(shè)備——多相流渦輪增壓反應(yīng)器，旨在縮短萃取工藝流程，從根本上提高萃取率。

鈷、鎳同屬第Ⅷ族第三周期，性質(zhì)相近，在礦物中經(jīng)常共生在一起，因此，鎳、鈷提取分離［2-3］是有色金屬冶金的重要課題之一。

磷類(lèi)萃取劑適用于從硫酸鹽溶液中分離鈷、鎳，應(yīng)用最廣泛的有二（2-乙基己基）磷酸（P204）［4］、2-乙 基 己 基 磷 酸-2 乙 基 己 基 脂（P507）［5］等，及20世紀(jì)80年代美國(guó)氰胺公司合成的新型萃取劑二（2，4，4-三甲基戊基）膦酸（Cyanex272）。

萃取劑Cyanex272的主要成分是二（2，4，4-三甲基戊基）膦酸，有很高的鎳、鈷分離系數(shù)，在鎳、鈷體系提取分離中有較好的性能，其分離鎳、鈷能力優(yōu)于P204和P507［6］。該萃取劑適用于鎳、鈷變化范圍較大的各種硫酸鹽和氯化物溶液，對(duì)鈷的萃取率在99．9%以上，對(duì)鎳的萃取率僅有0．02%。

1 試驗(yàn)部分

1．1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用含鈷硫酸鎳溶液取自某鎳冶煉廠，主要成分為：Ni 120g／L，Cu≤0．1g／L，F(xiàn)e≤0．1 g／L，Co≤2g／L，pH＝5．5；萃取劑為Cyanex272，稀釋劑為磺化煤油，二者的體積比為1∶9。

1．2 試驗(yàn)儀器、設(shè)備

全界面接觸高效萃取試驗(yàn)機(jī)，1m3／h；

紅外溫度計(jì)，-50～380℃，精度±1．5%；

萃取槽，2臺(tái)，PVC，1m3。

1．3 試驗(yàn)原理

全界面接觸高效萃取試驗(yàn)機(jī)由3級(jí)多相流渦輪增壓反應(yīng)器組成。多相流渦輪增壓反應(yīng)器內(nèi)分布多級(jí)開(kāi)式葉輪和相應(yīng)的按螺旋線(xiàn)式流道設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪與導(dǎo)葉在多相流渦輪增壓反應(yīng)器內(nèi)對(duì)兩相流同步高精度切割（如圖1所示），使兩相流以微米級(jí)液滴高速碰撞，實(shí)現(xiàn)劇烈而均勻混合，高度分散，反應(yīng)相界面增大，兩相流相界面微觀上形成“全界面”接觸，減少了相間離子遷移距離和反應(yīng)時(shí)間，最終大大減少萃取反應(yīng)級(jí)數(shù)。

圖1 多相流渦輪增壓反應(yīng)器切割混合反應(yīng)原理示意圖

全界面接觸高效萃取設(shè)備設(shè)有靜態(tài)混合器、多相流渦輪增壓反應(yīng)器、澄清室。靜態(tài)混合器設(shè)置在多相流渦輪增壓反應(yīng)器之前，物料混合后分別通過(guò)靜態(tài)混合器、多相流渦輪增壓反應(yīng)器進(jìn)入澄清室。澄清室與泵相連，保持物料的循環(huán)動(dòng)力。

全界面接觸高效萃取工藝采用三級(jí)逆流萃取方式（如圖2所示）。物料硫酸鎳溶液和皂化后的萃取劑分別從兩端進(jìn)入萃取系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)逆流萃取反應(yīng)后分別離開(kāi)多相流渦輪增壓反應(yīng)器。萃取試驗(yàn)機(jī)24h不間斷連續(xù)運(yùn)行，定期檢測(cè)。

圖2 全界面接觸高效萃取工藝流程

1．4 分析方法

火焰原子吸收光譜法和滴定法。

2 結(jié)果與討論

2．1 反應(yīng)級(jí)數(shù)的確定

運(yùn)用估算逆流萃取級(jí)數(shù)的麥克比-錫利（McCabe-Thiele）圖解法，如圖3所示。2級(jí)萃取即可將溶液中的鈷質(zhì)量濃度降到1mg／L以下?？紤]到萃取反應(yīng)存在一定效率，以效率80%計(jì)算，選取3級(jí)萃取進(jìn)行以下試驗(yàn)。

圖3 Cyanex272萃取鈷的等溫曲線(xiàn)

2．2 萃取劑皂化率對(duì)鈷萃取效率的影響

室溫下，用不同皂化率的萃取劑萃取鈷，如圖4所示，Cyanex272皂化率為55%時(shí)，萃取效率最高，為99．95%且試驗(yàn)過(guò)程中不產(chǎn)生第三相；皂化率大于55%時(shí)，物料開(kāi)始微量乳化，不利于反應(yīng)的迅速澄清，萃取效率有所下降。因此，萃取劑Cyanex272最佳皂化率確定為55%。

圖4 萃取劑皂化率對(duì)萃取率的影響

2．3 料液與萃取劑體積比對(duì)鈷萃取率的影響

如圖5所示：料液與萃取劑體積比Va∶Vo＝3∶1時(shí)，萃取率最高為99．95%；當(dāng)體積比大于3．5∶1后，萃取率大幅下降，這和萃取劑過(guò)量導(dǎo)致相間萃取遷移反應(yīng)動(dòng)力降低有關(guān)。因此，試驗(yàn)確定最佳料液與萃取劑體積比為3∶1。

圖5 體積比對(duì)萃取率的影響

2．4 萃取體系PH對(duì)鎳、鈷萃取分離的影響

由圖6看出：體系pH在3～5范圍內(nèi)，鈷、鎳分離系數(shù)和萃取率隨pH增大顯著增大；體系pH為5．5時(shí)，萃取率最高，為99．9%；體系pH＝5．8時(shí)，分離系數(shù)最高，但萃取率有所下降。因此，確定pH＝5．5為萃取反應(yīng)的最佳pH。

圖6 萃取體系pH對(duì)萃取率的影響

2．5 反應(yīng)溫度對(duì)鎳、鈷萃取分離的影響

如圖7所示：25℃和45℃下，不同溫度對(duì)萃取分離鎳、鈷的影響比較顯著，鎳鈷分離系數(shù)隨溫度升高而明顯升高，45℃時(shí)分離系數(shù)達(dá)14．5。因此，萃取反應(yīng)的適宜溫度確定為45℃。

圖7 溫度對(duì)萃取率的影響

3 結(jié)論

全界面接觸萃取工藝運(yùn)用自主研發(fā)的多相流渦輪增壓反應(yīng)器進(jìn)行兩相物料切割混合，使兩相物料以微米級(jí)形態(tài)進(jìn)行碰撞接觸，萃取反應(yīng)級(jí)數(shù)可降至3級(jí)（萃余液中鈷質(zhì)量濃度＜1mg／L），設(shè)備投入及設(shè)備占地面積減小，萃取過(guò)程中不產(chǎn)生第三相。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在萃取劑皂化率55%、萃取劑與物料體積比1∶3、反應(yīng)溫度45℃、在3級(jí)逆流萃取條件下，鈷萃取率達(dá)99．9%，實(shí)現(xiàn)鎳、鈷的高效分離。

［1］王勝，郭鵬成，趙燕春．離心萃取器在鎳鈷分離中的應(yīng)用［J］．濕法冶金，2008，27（1）：48-50．

［2］劉三平，王海北，蔣開(kāi)喜，等．鈷提取分離技術(shù)分析與應(yīng)用［J］．有色金屬，2004，56（2）：73-76．

［3］肖超，肖連生．鈷、鎳萃取分離原理與方法［J］．濕法冶金，2010，29（4）：19-22．

［4］張愈祖，蔡傳算．含鈷硬質(zhì)合金廢料的綜合回收［J］．礦冶工程，2000，20（2）：34-36．

［5］李立元，陳學(xué)田．P 507萃取劑在鈷、鎳分離系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．世界有色金屬，1997（10）：26-28．

［6］吳濤，史文峰，李春雷．Cyanex272萃取劑在鎳鈷分離中的應(yīng)用實(shí)踐［J］．新疆有色金屬，1997（2）：18-22．