高騰飛,劉勇奇,譚群英,劉少葵,唐紅輝
(湖南邦普循環(huán)科技有限公司,湖南 長沙 412600)
有機磷酸萃取劑P204,即磷酸二(2-乙基己基)脂對Fe3+的萃取選擇能力很強,在萃取有價金屬時會優(yōu)先萃取Fe3+,因此Fe3+的反萃取就相對困難。Fe3+易在有機相中富集從而降低P204的萃取性能[1-3]。目前,從負載Fe3+的P204有機相中反萃取Fe3+主要有兩種方法:一種是利用P204對Fe2+的選擇性低,容易實現(xiàn)Fe2+的反萃取,通過加入還原劑將Fe3+還原成Fe2+,再加酸反萃取去除Fe2+,如加鐵粉、鋅粉等還原劑在機械攪拌和強保護氣氛中還原反萃取Fe3+[4-5];另一種是加入配合劑,使Fe3+形成配合物進入水相從而去除Fe3+,如在P507-N235體系中,加入EDTA配合反萃取,F(xiàn)e3+反萃取率可達96.42%[6];負載有機相中加入HF,HF與Fe3+反應形成FeF3,從而去除Fe3+。P204有機相中的Fe3+,用EDTA配合反萃取雖能有效去除Fe3+,但加入的EDTA對再生有機相的萃取能力有較大影響,且后續(xù)廢水中EDTA的去除也是一個難題[7-9]。
試驗所用原料為6 mol/L HCl反萃取后的P204有機相,其中的Fe3+更加難以反萃取。結(jié)合實際工藝提出采用配合與還原相結(jié)合的反萃取法除鐵,即利用高濃度HCl將Fe3+從有機相中分離出來,然后再用還原劑將Fe3+還原為Fe2+,最后再反萃取Fe2+,使P204有機相中的Fe3+得到深度去除。
試驗原料:有機相為28%P204+72%260#磺化煤油,是經(jīng)6 mol/L HCl反萃取后所得,其中Fe3+質(zhì)量濃度為0.15 g/L。
其他試劑:無水亞硫酸鈉,焦亞硫酸鈉,草酸,鹽酸,均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司產(chǎn)品;五水合硫代硫酸鈉,分析純,廣東光華科技股份有限公司產(chǎn)品;硫化鈉,分析純,汕頭市西隴化工廠有限公司產(chǎn)品。
250 mL玻璃分液漏斗;100 mL量筒;FA2004N電子天平;JW-B分液漏斗振蕩器;WFX-130A型原子吸收分光光度計;SRJX-8-13箱式電阻爐。
1.3.1P204萃取、反萃取Fe3+原理
P204屬于酸性萃取劑,在煤油等非極性溶液中一般以多聚體形式存在,當水相pH較低時,主要形成二聚體H2A2,通過離子締合和螯合作用萃取金屬離子。其與Fe3+生成的萃合物十分穩(wěn)定,在低pH條件下,與Fe3+的反應為
(1)
生成物的結(jié)構(gòu)式[10-12]為
用配位劑Bm-從P204有機相中反萃取Fe3+,反應式為
(2)
式(2)可分解為:
(3)
(4)
式(3)的平衡常數(shù)為K1,式(4)的平衡常數(shù)為K2,則
(5)
(6)
式(2)平衡時,
=K1·K2;
(7)
其中,F(xiàn)e3+分配比
(8)
從式(8)看出,有機相中HA和A-活度及K1不變時,分配比D與K2、配位劑Bm-活度有關(guān)。其他條件不變時,提高K2和配位劑活度都有利于減小分配比,從而使Fe3+進入水相。一些常見配位劑與Fe3+生成配合物的穩(wěn)定常數(shù)見表1。
表1 配位劑與Fe3+配合物的穩(wěn)定常數(shù)(291~298 K)
Fe3+在酸性條件下有較強的氧化性,本身得電子被還原成Fe2+:
(9)
1)在攪拌條件下,配合物FeA3·3[HA]通過相界面進入水相;
2)FeA3·3[HA]在水相中電離分解生成Fe3+、A-及HA;
試驗方法:取一定量P204有機相于分液漏斗中,加入一定體積一定濃度的鹽酸溶液,進行第一次振蕩,時間為4 min;之后再加入一定量還原劑(或先加入還原劑振蕩4 min后再加入鹽酸),進行第二次振蕩;之后靜置分相,取下層水相用原子吸收分光光度法測定溶液中Fe3+質(zhì)量濃度(若未說明加入順序,均為先加鹽酸后加還原劑;試驗中討論的振蕩時間均為第二次振蕩時間)。
1.3.2P204有機相中Fe3+質(zhì)量濃度的測定
取P204有機溶液100 mL于坩堝內(nèi),置于箱式電阻爐中高溫燒灼1 h左右,得到的殘余固體用王水充分溶解后定容,用原子吸收分光光度法測定其中Fe3+質(zhì)量濃度,計算出P204有機相中Fe3+質(zhì)量濃度。
P204有機相100 mL,還原劑加入量為理論量的4倍,一次振蕩時間4 min,鹽酸濃度4 mol/L,鹽酸體積50 mL,二次振蕩時間12 min。硫代硫酸鈉加入方式對Fe3+反萃取率的影響試驗結(jié)果見表2。可以看出:硫代硫酸鈉對Fe3+的反萃取有明顯促進作用;草酸、亞硫酸鈉、硫化鈉及焦亞硫酸鈉對Fe3+的反萃取幾乎無影響。這是因為硫代硫酸鈉的還原電位比其他各還原劑的電位都要高,其還原性更強,F(xiàn)e3+與Cl-生成配合物后,其穩(wěn)定性增加,更難被還原,因此,選擇硫代硫酸鈉作還原劑。先加入硫代硫酸鈉時,F(xiàn)e3+反萃取率明顯偏低;而先加入鹽酸、后加硫代硫酸鈉,F(xiàn)e3+反萃取率相對較高:這可能是硫代硫酸鈉在有機相中的溶解度較低,P204與Fe3+形成的配合物無法直接電離致溶液中Fe3+濃度十分低,硫代硫酸根離子難以與Fe3+相遇形成有效碰撞,大部分與有機相夾帶的水相或萃取劑中H+反應生成亞硫酸而失效的緣故。因此,試驗選擇先加入鹽酸再加入硫代硫酸鈉來反萃取P204有機相中的Fe3+。
表2 還原劑加入方式對Fe3+反萃取率的影響
2.2.1振蕩時間對鹽酸與Na2S2O3配合還原反萃取Fe3+的影響
P204有機相體積100 mL,鹽酸體積50 mL,鹽酸濃度4 mol/L,一定的Na2S2O3加入量。振蕩時間對Fe3+還原反萃取的影響試驗結(jié)果如圖1所示。
—■—4 mol/L HCl,2倍Na2S2O3理論加入量;—●—4 mol/L HCl,4倍Na2S2O3理論加入量;—▲—3 mol/L HCl,2倍Na2S2O3理論加入量。
由圖1看出,在不同還原劑加入量條件下,振蕩時間對還原反萃取Fe3+的影響趨勢基本一致:反應時間越長,F(xiàn)e3+反萃取效果越好;反應2 min后,F(xiàn)e3+反萃取率變化較??;反應10 min后,F(xiàn)e3+反萃取率基本穩(wěn)定。
2.2.2鹽酸濃度與Na2S2O3加入量對配合還原反萃取Fe3+的影響
P204有機溶液體積100mL,鹽酸體積為50 mL,Na2S2O3加入量為理論量的1~6倍,振蕩時間12 min,F(xiàn)e3+反萃取率隨鹽酸濃度與Na2S2O3加入量的變化關(guān)系如圖2所示。
—■—5 mol/L HCl;—●—4 mol/L HCl;—▲—3 mol/L HCl;—◆—2 mol/L HCl。
由圖2看出:隨HCl濃度提高,F(xiàn)e3+還原反萃取效果趨好;鹽酸濃度為2 mol/L時,F(xiàn)e3+反萃取率很低,說明在無配合反萃取條件下,直接加入Na2S2O3幾乎無法達到還原效果。Na2S2O3溶于水相后,難以與有機相中的Fe3+形成有效碰撞,使其還原為Fe2+;另外,在一定范圍內(nèi)提高Na2S2O3加入量,明顯有利于Fe3+的反萃取,因為Na2S2O3與水相中的H+反應生成Na2SO3,而Na2SO3在此條件下無法還原Fe3+:因此,Na2S2O3過量加入才能有較好的還原反萃取效果。鹽酸濃度為5 mol/L,Na2S2O3加入量為理論量的4倍時,F(xiàn)e3+反萃取效果較好,反萃取率為90%左右。
2.2.3萃取相比對配合還原反萃取Fe3+的影響
P204有機相50~200 mL,鹽酸體積50 mL,鹽酸濃度5 mol/L,Na2S2O3加入量為理論量的4倍,振蕩時間12 min或間歇振蕩(振蕩4 min后停止4 min,再繼續(xù)振蕩4 min),相比Vo/Va對Fe3+反萃取的影響試驗結(jié)果如圖3所示。
圖3 萃取相比對Fe3+反萃取的影響
用4 mol/L鹽酸溶液可以從P204有機相中反萃取Fe3+,但其反萃取率相對較低,僅為28%左右。體系中加入4倍理論量的硫代硫酸鈉,可有效促進鹽酸反萃取Fe3+。在相比Vo/Va=3/1時,先加入鹽酸振蕩反應4 min,再加入硫代硫酸鈉間歇振蕩12 min,可取得較好反萃取效果,F(xiàn)e3+反萃取率達90%。
試驗中可考慮加入適量NaCl,有效提高Cl-濃度、降低溶液中H+濃度,減少酸霧的形成。得到的反萃取液可循環(huán)使用,富集Fe2+后用于制備FeCl2產(chǎn)品,回收剩余鹽酸,也是下一步研究的方向。