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风化壳淋积型稀土矿中的稀土元素主要以离子相形态吸附于粘土矿物表面,轻、中、重稀土配分齐全,富含与高科技、新材料产业密切相关的中、重稀土元素,是全球中重稀土的主要来源,是我国重要战略性资源。目前我国风化壳淋积型稀土矿的工业开采方法是采用原地浸出工艺,采用碳酸氢铵对稀土浸出液进行除杂处理,用沉淀剂碳酸氢铵或草酸沉淀富集稀土,获得稀土沉淀物。该沉淀物通过高温焙烧为稀土氧化物,之后针对后续的分离要求或者应用需求,用酸将稀土氧化物或碳酸盐溶解成稀土溶液后分离提纯单一稀土。这个工艺会消耗大量的化学试剂和能源,所以如何从稀土浸出液中直接分离富集稀土一直是热门研究方向。其中溶剂萃取法是用于稀土提取和分离最重要的方法之一,它适合大规模连续生产、分离效率高、工艺简单,既能实现稀土与大多数杂质离子分离,又能起到富集作用且不引入新的杂质离子,而新型高效萃取剂的研发是溶剂萃取中的重要环节。3-氧戊二酰胺是在双酰胺的基础上开发出来的新型绿色环保萃取剂,它在双酰胺的结构中增加了醚氧键,改变了其物理化学性质,有良好的稀土萃取能力。本文合成了三种3-氧戊二酰胺类萃取剂:N,N,N’,N’-四丁基-3-氧戊二酰(TBDGA)、N,N,N’,N’-四己基-3-氧戊二酰胺(THDGA)和N,N,N’,N’-四辛基-3-氧戊二酰胺(TODGA),通过柱层析法分离提纯后,分别用红外光谱和核磁共振对其化学结构进行了表征,在氯化铵、硫酸铵和硝酸铵溶液中研究其对稀土离子的萃取性能及反应机理。通过控制单因素变量法,考察了接触时间、铵根离子浓度、稀土离子浓度、萃取剂浓度、温度以及稀释剂种类对萃取行为的影响,得到了萃取平衡时间、萃合物的组成以及热力学参数。本论文的主要研究内容如下:1.氯化铵、硫酸铵和硝酸铵溶液中,不同的稀释剂对TBDGA、THDGA和TODGA的萃取性能的影响不同。(1)氯化铵溶液中,正辛烷-正辛醇(V_烷:V_醇=7:3)作为混合稀释剂时萃取率最高,Y离子和Gd离子的单级萃取率可达到89.54%和91.28%;原因在于混合稀释剂正辛烷-正辛醇(V_烷:V_醇=7:3)的极性相较于其他几种萃取剂的极性最大,有利于形成稀土配合物,同时由于正辛醇的存在,其作为助溶剂有利于萃合物进入有机相中,增大萃取效果。(2)硝酸铵溶液中,正辛烷-正辛醇(V_烷:V_醇=7:3)和二氯甲烷作为稀释剂适合TBDGA对稀土离子的萃取,La、Y和Gd离子的单级萃取率最大为85.85%、98.56%和97.24%;所考察的七种稀释剂对THDGA和TODGA的萃取效果影响很小,单级萃取率都在90%以上,故可以认为除了稀释剂的极性,空间位阻效应和萃取剂在稀释剂中的聚合等因素都可以影响萃取剂的萃取效果。(3)硫酸铵溶液中,所考察的七种稀释剂对TBDGA、THDGA和TODGA的萃取性能几乎没有影响,二价硫酸根离子与稀土离子形成稀土硫酸盐沉淀,在两相界面处产生固体颗粒阻碍萃取传质过程,且降低了萃取过程中稀土离子与有机相中萃取剂分子发生配位反应几率,严重影响了稀土离子的萃取率,La(Ⅲ)、Y(Ⅲ)、Gd(Ⅲ)三种稀土离子的单级萃取率最高仅为29.96%。2.氯化铵、硫酸铵和硝酸铵溶液中,以正辛烷-正辛醇(V_烷:V_醇=7:3)作为稀释剂,TBDGA、THDGA和TODGA对La(Ⅲ)、Y(Ⅲ)、Gd(Ⅲ)离子的单级萃取率随着接触时间和铵根离子浓度的增加而增大,随着稀土离子浓度的增大而减小。(1)氯化铵溶液中,三种萃取剂的萃取速率很快,均可在15 min内达到萃取平衡;在考察的浓度范围内,当铵根离子浓度为2mol/L,稀土离子浓度为700mg/dm~3时,TBDGA对Y(Ⅲ)和Gd(Ⅲ)的单级萃取率优于其他两种萃取剂,可达到87.86%和98.53%。La离子的萃取最大仅为25.38%。(2)硝酸铵溶液中,三种萃取剂对稀土离子均有很高的萃取率和较快的萃取效率,20分钟内即可达到萃取平衡;在考察的浓度范围内,当铵根离子浓度为2mol/L,稀土离子浓度为1000 mg/dm~3时,萃取率最高,La、Y和Gd离子的单级萃取率最大可达到81.54%、97.85%和99.18%。(3)硫酸铵溶液中,三种萃取剂对稀土离子的萃取效果都很差,二价硫酸根离子的存在不利于稀土离子进入有机相与萃取剂分子配位,严重影响了稀土离子的萃取率,La(Ⅲ)、Y(Ⅲ)、Gd(Ⅲ)三种稀土离子的单级萃取率最高仅为22.98%。3.氯化铵、硫酸铵和硝酸铵溶液中,以正辛烷-正辛醇(V_烷:V_醇=7:3)作为稀释剂,当铵根离子浓度和初始稀土离子浓度恒定时,萃取分配比随着萃取剂浓度的增加而增大,并且计算得到了TBDGA、THDGA和TODGA与稀土离子形成萃合物的组成。选择温度范围为303-331 K,考察了温度对三种萃取剂萃取La(Ⅲ)、Y(Ⅲ)、Gd(Ⅲ)三种稀土离子的影响,计算了萃取反应的相关热力学函数值。实验结果表明,萃取分配比随着温度的升高而减小,萃取反应为放热过程,升高温度不利于萃取反应。4.通过对负载稀土离子有机相的红外光谱分析可知,3-氧戊二酰胺类萃取剂是通过羰基和醚氧键与稀土离子发生了配位。5.实验选用的三种反萃剂为水、二乙基三胺五乙酸(DTPA)和乙二胺四乙酸二钠(EDTA)。实验结果表明水对稀土离子几乎没有反萃效果,EDTA和DTPA对稀土离子Y和Gd都具有较快的反萃速率,其中DTPA对稀土离子的反萃效果优于EDTA;且达到反萃平衡后,两种反萃剂对Gd离子的反萃率均高于Y离子。结果表明:在氯化铵和硝酸铵溶液中,TBDGA、THDGA和TODGA对Y(Ⅲ)和Gd(Ⅲ)都有很好的萃取效果。硫酸铵溶液中,三种萃取剂对稀土离子的萃取效果都很差。三种萃取剂对稀土离子的萃取效果优劣顺序为Gd(Ⅲ)>Y(Ⅲ)>La(Ⅲ),且在实验条件相同的情况下,3-氧戊二酰胺类萃取剂对同一种稀土离子的单级萃取率大小顺序为:TBDGA>THDGA>TODGA,主要是由于酰胺结构中N原子上连接的烷基的给电子诱导效应和空间位阻效果共同作用的结构。本文为从复杂稀土浸出液中分离富集稀土的工业生产提供了一种可供选择的新思路和技术指导。