用N235从盐酸溶液中萃取Fe3+
2020-02-24成亚飞韦梦梅蒋卷涛
刘 葵，成亚飞，韦梦梅，蒋卷涛
(1.广西师范大学 化学与药学学院，广西 桂林 541004；2.广西低碳能源材料重点实验室，广西 桂林 541004)
铁是一种重要的金属元素，常伴生于镍矿、锌矿、稀土矿等矿石中，因此，很多矿石的浸出液中都含有一定浓度铁，在提取有价金属时需先除铁[1]。湿法冶金实践中，矿石浸出液中铁的脱除方法主要有溶剂萃取法和水解沉淀法[2-3]。溶剂萃取法可在较低温度下进行，且可得到纯度较高的铁产品，应用较为普遍。常用的萃取剂有酸性萃取剂P507、P204等和碱性萃取剂N235等[3]。P507、P204萃取铁时，反萃取时所需酸度较高；而N235萃取铁时，反萃取酸度很低：因此，以N235萃取铁，生产成本相对较低。
1 试验部分
1.1 试验原料
N235(≥97%)、磺化煤油，均为分析纯，洛阳市奥达化工有限公司。氯化铁、盐酸，均为分析纯；水为去离子水。
料液：称取一定质量FeCl3·6H2O加水溶解，用盐酸调节溶液pH。
有机相：33%N235+67%煤油(体积比)混合。
1.2 试验设备
SHA-B型恒温振荡器，PHS-3E型酸度计，Spectrum Two衰减全反射傅里叶变换红外光谱仪，MA-1B型卡尔费休水分测定仪。
1.3 试验方法
将有机相与水相按一定体积比(Vo/Va)置于分液漏斗中，于振荡器中混合振荡10 min，静置、分相后记录分相时间；分相完成后分出下层水相及第三相，测定下层水相pH、Fe3+浓度及第三相体积，计算Fe3+萃取率和第三相体积分数；测定有机相及第三相水分，对有机相及第三相进行红外光谱分析。
Fe3+萃取率(E)计算公式为
(1)
式中：maq—水相中铁质量，g；morg—有机相中铁质量，g。
第三相体积分数(φ)计算公式为
(2)
式中：Vthird表示第三相体积，mL；Vorg表示有机相总体积，mL。
1.4 分析方法
当溶液中Fe3+浓度较高时，采用重铬酸钾滴定法测定；当溶液中Fe3+浓度较低时，采用磺基水杨酸分光光度法测定[4]。
有机相中的水分采用卡尔费休水分测定仪测定。
有机相的组成及结构采用PerkinElmer公司的Spectrum Two衰减全反射傅里叶变换红外光谱仪测定，用KBr压片，扫谱范围400～4 000 cm-1。
2 试验结果与讨论
2.1 相比对萃取的影响
水相FeCl3质量浓度0.4 g/L，pH一定，相比Vo/Va对N235萃取Fe3+的影响试验结果见表1。
表1 Vo/Va对N235萃取Fe3+的影响
由表1看出：当料液pH=0时，随Vo/Va增大，Fe3+萃取率逐渐降低；Vo/Va=1/1时，Fe3+萃取率达98.5%，而Vo/Va=5/1时，Fe3+萃取率降至7.3%。这说明:N235优先萃取料液中的盐酸，之后才萃取Fe3+；随相比增大，水相中盐酸减少，水相pH升高，当水相pH升至超过Fe3+的水解pH时，Fe3+水解生成黄色产物，致使Fe3+萃取率下降；同时下层水相变成黄色浑浊液。料液pH=2时，随Vo/Va增大，下层水相pH升高得更快，因而下层水相由浅色浑浊变为深色浑浊，此时N235对Fe3+的萃取率很低，Fe3+萃取率最高仅为5%。
料液pH=0时，随Vo/Va增大，萃取后下层水相由无色透明变为黄色浑浊；萃取后溶液分为三层，中间层为第三相，上层有机相无色透明。随Vo/Va增大，Fe3+萃取率下降，第三相体积相应减小：由此推测，N235萃取Fe3+后的萃合物主要集中在第三相。
2.2 料液pH和Fe3+质量浓度对萃取的影响
料液中Fe3+质量浓度0.4～2.3 g/L，Vo/Va=3/1，料液pH和Fe3+质量浓度对N235萃取Fe3+的影响试验结果如图1所示。
图1 料液pH和Fe3+质量浓度对N235萃取Fe3+的影响
2.3 萃合物的组成
2.3.1 有机相中的氯离子
2.3.2 N235与Fe3+的反应
根据以上试验结果可以判断，N235萃取盐酸溶液中Fe3+的反应包括2步：第1步，N235萃取溶液中的HCl，生成R3NH+·Cl-，反应式为
(3)
式中：R3N表示N235；R表示CnH2n+1(n=8,10);
(4)
这与Lee等的研究结果[6]一致。
反应达到平衡时，平衡常数K的计算公式为
(6)
分配系数D的计算公式为
(7)
于是，K可表示为
(8)
式(8)两边取对数，得
lgD=xlg[R3NH+·Cl-]+lgK-lg[Cl-]。
(9)
图2 lgD与lg(c(N235))之间的关系曲线
2.3.3 萃合物的红外光谱分析
N235的红外光谱分析结果如图3所示。可以看出：1 095.15 cm-1处的吸收峰是碱性基团叔胺基R3N—的特征峰，2 926.2 cm-1处的吸收峰是甲基反对称伸缩振动峰，2 860 cm-1处的吸收峰是亚甲基对称伸缩振动峰，1 459.2 cm-1处的吸收峰是甲基和亚甲基伸缩振动峰[7]。
图3 N235的红外光谱分析结果
1—N235萃取Fe3+后的上层有机相(料液pH=0，ρ(Fe3+)=0.4 g/L)；2—N235萃取HCl后的上层有机相(料液pH=0，ρ(Fe3+)=0 g/L)；3—N235萃取Fe3+后的第三相(料液pH=0,ρ(Fe3+)=0.4 g/L)。
2.3.4 有机相中的水分
料液pH=0，Fe3+质量浓度0～2.3 g/L，萃取后的负载有机相、第三相中水分测定结果见表2。
表2 萃取后的负载有机相、第三相中水分测定结果
萃合物主要集中在第三相，且以乳化物形式存在，因此，工业生产中必须加入其他溶剂，如仲辛醇等实现破乳和消除第三相。
3 结论
以33%N235+67%磺化煤油为有机相从盐酸溶液中萃取Fe3+时，Fe3+萃取率随相比增大、水相pH升高而降低，随Fe3+浓度升高而升高。水相pH≥1时，Fe3+萃取率较低，部分Fe3+可能以水解产物形式被N235萃取。
