N,N,N′,N′-四辛基-3-氧戊二酰胺-HNO3萃取稀土元素的動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、眾所周知，稀土元素在當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用越來越廣泛，涵蓋軍事、航天航空、光電磁功能材料以及冶金、化工工業(yè)等眾多領(lǐng)域，其發(fā)揮的作用愈來愈重要。人們對(duì)于單一高純的稀土的制備要求也越高，受到越來越多的重視和關(guān)注。稀土元素的來源主要有兩個(gè)方面：稀土礦原石的分離提純和乏燃料的后處理提取，但是由于各類稀土元素結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)十分相似，礦物及乏燃料中各元素的分離純化十分困難，因此稀土元素的分離純化成為其應(yīng)用的主要制約瓶頸。
　　溶劑萃取作為最常用的一種分

2、離純化方法，在許多高、精、尖領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。利用熱力學(xué)萃取條件及影響因素的不同對(duì)各種元素進(jìn)行分離已經(jīng)取得了較大研究進(jìn)展，但是許多萃取體系存在動(dòng)力學(xué)分離因素影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱力學(xué)平衡分離因素的現(xiàn)象，因此進(jìn)行萃取動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于萃取過程和理論的研究具有十分重要的意義，同時(shí)對(duì)于當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中稀土元素的分離純化亦具有很重要的實(shí)用意義。
　　本文主要設(shè)計(jì)、制作了多種動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，同時(shí)考察了TODGA/HNO3/H2O體系、TODGA/HNO

3、3/La體系的界面性質(zhì)，開展了TODGA/HNO3/RE體系的萃取性能研究以及TODGA/HNO3/RE體系的萃取動(dòng)力學(xué)研究，主要包括以下幾個(gè)方面：
　?。?）合成了 N,N,N',N'-四辛基-3-氧戊二酰胺(TODGA)，對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行紅外光譜、高效液相檢測(cè)以及核磁共振氫譜表征，純度達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)；
　　（2）設(shè)計(jì)、制作了滴體積裝置、可拆卸恒界面萃取池以及新型動(dòng)力學(xué)研究裝置，并對(duì)各裝置進(jìn)行準(zhǔn)確性、重復(fù)性測(cè)試，達(dá)到實(shí)驗(yàn)使用要求；

4、
　　（3）研究了TODGA/H2O體系的相關(guān)界面性質(zhì)，通過滴體積法考察液滴形成時(shí)間、水相酸度、萃取劑濃度、稀釋劑種類、離子強(qiáng)度和溫度等因素對(duì)界面性質(zhì)的影響，得到相關(guān)結(jié)論：萃取劑的存在以其表面活性劑的性質(zhì)降低體系的界面張力；確定了不同體系的液滴形成平衡時(shí)間；比較了不同極性稀釋劑對(duì)體系界面性質(zhì)的影響；TODGA對(duì)HNO3萃取使得萃取劑分子質(zhì)子化，活性顯著增強(qiáng)；溫度對(duì)于界面分子的熱運(yùn)動(dòng)、溶解度以及與稀釋劑的結(jié)合能力有重要影響；

5、　?。?）研究了TODGA/La3+體系的相關(guān)界面性質(zhì)，通過滴體積法考察液滴形成時(shí)間、不同金屬離子濃度、水相酸度、萃取劑濃度、稀釋劑種類、離子強(qiáng)度和溫度等因素對(duì)界面性質(zhì)的影響，得到相關(guān)結(jié)論：確定TODGA/La3+體系的液滴形成平衡時(shí)間；考察萃取劑濃度和稀土離子濃度對(duì)界面性地影響，結(jié)合熱力學(xué)研究對(duì)二者的結(jié)合形式以及結(jié)合能力進(jìn)行分析；同樣在該萃取體系存在TODGA對(duì)HNO3的萃取，使得萃取劑分子質(zhì)子化，增強(qiáng)體系的界面活性；溫度同樣對(duì)界面分

6、子的熱運(yùn)動(dòng)、溶解度以及與稀釋劑的結(jié)合能力有重要影響；離子強(qiáng)度增大，降低了萃取劑的界面濃度，增強(qiáng)了對(duì)稀土離子的萃取能力；
　?。?）研究了硝酸體系中 TODGA萃取鑭系元素的熱力學(xué)萃取性能及機(jī)理，考察萃取劑濃度、硝酸濃度、溫度以及稀釋劑種類等因素對(duì)萃取性能的影響，推導(dǎo)出相應(yīng)的配位機(jī)理、萃合物的分子結(jié)構(gòu)，通過溫度影響判別該類萃取反應(yīng)均為放熱過程，計(jì)算得到該類萃取反應(yīng)過程的平衡常數(shù)以及相應(yīng)熱力學(xué)函數(shù)的數(shù)值；
　　（6）通過恒界面池

7、法，考察硝酸體系中 TODGA萃取鑭系元素的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，通過分析攪拌速度和比界面面積變化對(duì)萃取速率的影響判別該萃取過程為擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)混合控制；計(jì)算得到該萃取體系的初始萃取速率方程以及各自的表觀活化能；
　?。?）結(jié)合界面研究、萃取熱力學(xué)與萃取動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，TODGA萃取鑭系元素的動(dòng)力學(xué)機(jī)理為擴(kuò)散-化學(xué)反應(yīng)混合控制，通過增大 TODGA濃度、溶液酸度，增大萃取劑在界面的聚集濃度，加快萃取反應(yīng)進(jìn)行，使得初始萃取速率以及最終萃取性能