有色金属冶金中离子液体的应用探讨

何健松

（清远市正通金属制品有限公司，广东 清远 511500）

有色金属在能源工业、航空航天、交通等产业部门中发挥着重要作用，属于基础性原材料之一。目前，我国社会的构建趋于资源节约型、环境友好型，以往生产有色金属的方式中有诸多问题存在，为了妥善解决这一系列问题，离子液体顺势诞生。通过离子液体的应用，能够有效提取并分离有色金属，可大幅度节省能耗且不会对环境构成太大污染，因而离子液体一诞生便得到了社会普遍关注。

1 离子液体运用简介

迅速发展的全球工业化背景下，工业各个领域中逐渐应用了更多的重金属元素，这一过程中难免会出现直接或间接往环境内排放含有重金属离子废弃物的情况，这就难免会对自然水体及土壤造成污染，从而导致人类身体健康面临威胁。所以，有必要对重金属离子有效分离的方法进行探索。固相分离、液液萃取、液相微萃取、离子交换等方法都能将重金属离子有效分离，作为传统方法之一的液液萃取，尽管在萃取率方面有着相当可观的优势，然而因萃取过程中涉及多种有机溶剂的使用，大幅度增长了成本，且会二次污染环境，无法将现有环境保护、可持续发展要求满足[1]。树脂分离萃取与生物材料尽管属于绿色化技术，但萃取效率偏低。离子液体的诞生，取代了重金属离子萃取中使用的有机溶剂，基本上不会污染环境，因而发展为主流技术。离子液体挥发性低，且具备较强的导电性，同时包含电化学窗口宽、离子迁移率高等诸多物理化学特性，所以在分析化学、有机合成、反应催化、电化学等研究中得到广泛应用。有色金属冶金过程中离子液体的具体应用过程，pH值、离子液体组成、萃取时间、温度及金属离子初始浓度皆会对其应用效果构成影响，故而为促进离子液体应用效果的提高，需合理控制此类影响因素。

2 离子液体制备方法

2.1 两步合成法

两步合成法中，首先是叔胺与卤代烃之间的反应，该反应能够生成季铵卤化物，随后在络合反应、离子交换、复分解反应及电解法等方法的应用下，转换卤素离子，如此即可将目标离子液体的阴离子获取。通过离子交换法的应用，能够转化含有目标阳离子的离子液体前体，从而获取水溶体，而后在含目标分子阴离子的交换树脂的运用下，即可将目标离子的水溶液获取，蒸发除水之后便能将最终产品获取[2]。阴离子络合反应指的是，通过卤素离子与过渡金属卤化物之间的反应，能够完成单核或多核络合阴离子的生成。电解法表示直接电解下的含目标阳离子的氯化物前体水溶液，可生成会与含目标阴离子的酸产生中和反应的含目标阳离子的氢氧化物。而复分解反应在离子液体的合成中也有着可观的应用效果，复分解反应下的含有目标阴、阳例子的电解质可将需求的离子液体获取。

2.2 微波辅助合成离子液体

该方法无需使用溶剂，能在几小时甚至几分钟内完成反应。该方法属于体相加热技术，原理在于快速变化的电磁场内，极性分子的方向会不断改变，引发分子摩擦发热。微波加热能够快速升温，而分子本身的不断转动，同样发挥着分子级别搅拌作用，所以反应速率得到大幅度提升。有学者在24种一系列功能化1-烷基-3-乙基咪唑和10种双核离子液体的制作中，应用了微波辅助，该技术相对于传统制备方法而言，合成反应时间大幅度缩短，且无需使用大量有机溶剂，多数离子液体产率实现有效提升[3]。然而，在使用该方法时也是有一定弊端存在的，如反应控制难度颇大且会发生副反应等。

3 有色金属冶金中离子液体的应用

3.1 金属及其氧化物溶解与腐蚀中的应用

由于多数分子溶剂内金属氧化物很难实现有效溶解，因此通常会选择高温熔岩或强酸溶液溶解方法进行，然而此类方法也有一系列弊端存在于应用中，如会腐蚀设备表层、导致设备使用年限减少，且需要较大的资源投入量，会严重污染生态环境等。而开发及应用离子液体，即可将上述一系列问题有效解决。之所以如此，主要在于离子液体能够彻底溶解有机物、无机物、聚合物等大量物质，被当作性能优良的溶剂并用于多样化化学反应中时。同时，离子液体的溶解度也较大[4]。有学者研究了铝、铜、黄铜、碳素钢、奥氏体小锈钢及镍基合金C22等物质在90℃条件下的离子液体内的腐蚀状况，结合研究结果得知，镍基合金C22被腐蚀的可能性极低，即便是在稀释后的离子液体内（阴离子为磷酸二甲酯）也仅呈现出中型腐蚀程度，而铝和碳钢的腐蚀程度则基本是由离子液体内阳离子成分的状态及阴离子化学结构决定[5]。而稀释的离子液体内，腐蚀性相对更大的有二甲磷酸盐型阴离子，然而也基本不会腐蚀铝合金。较高温度条件下，铜、黄铜在离子液体内会出现严重的腐蚀程度。

表1 离子液体中不同金属与合金的电沉积

3.2 黄铜矿湿法冶金中的应用

黄铜矿是常见的硫化铜矿之一，浸出目标上的难度普遍较大。而黄铜矿湿法冶金时，在离子液体的实践应用过程中，多种无机物溶解特别是金属氧化物溶解过程中的特殊能力——选择性溶解是最显著的特征体现。有学者将黄铜矿浸泡在离子液体内持续8h后，检测浸出得知铜浸出率达到了90%以上。在反复研究实践后，离子液体能够成功提取伴生金矿中的金、银，如黄铜矿、黄铁矿、闪锌矿等，研究结果表示，黄铜矿金属含量决定了最终的浸出率，低值金属中浸出率偏高的包含银[6]。离子液体用于黄铜矿Cu提取过程中，具有相当高的浸出率，且离子液体基本不会有蒸气压存在、挥发难度较大，使用的离子液体历经精简化处理程序后还能再次使用。故而，金属如果带有化合价，那么其浸出效果就不会受到离子液体的影响。浸出的Cu在离子液体内可被电沉积出，该方法在提取黄铜矿、贵重金属分离过程中的合理应用，可将环境污染等问题有效解决。

3.3 有色金属铝镁钛电沉积中的应用

电沉积是金属电铸、电解冶炼及电解精炼等进行过程中必不可少的基础，也是当前金属与合金获取中应用最为普遍的方法之一。化学沉积中，水溶液的作用体现在电解质，然而水的电化学窗口会对其构成一定的限制[7]。熔盐温度相对较高，所以具体应用中此类方法都有一定局限性存在。作为新型绿色溶剂的离子液体，在电化学窗口、导电性方面有着突出性能。早在多年以前，便已开始了离子液体金属电沉积现象的研究，且AlCl3离子液体中应用电沉积后已经能够完成Al、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Pd、Au、Ag、Cd、Sn等诸多金属的沉积，咪唑的氟硼酸盐、氟磷酸盐、三氟甲基磺酸盐中完成了Ag、Mg、Sb、Ti及Cd等金属的沉积。下表1给出了离子液体中不同金属与合金的电沉积。结合相关研究成果得知，离子液体能够电沉积大量金属，而因离子液体的性能会随着形成阴离子的变化而变化，因此可划分为复杂阴离子型、不连续阴离子型等两大类离子液体。将离子液体用于有色金属镁铝钛电沉积中时，能够最大限度消除部分金属与水反应的情况，并且可彻底规避析氢反应的产生，能够将副反应减少且节省能耗。相对于有机电解液而言，离子液体不具备蒸气压，燃烧、挥发的情况不会产生，故而能实现更安全、环保的应用操作。属于低温熔盐的离子液体，操作中设备受到的腐蚀程度极小，能实现能耗的有效控制。活泼金属电沉积中，离子液体的应用体现在电解质方面，仅需平常温度便可获取金属或合金，无需高温熔盐，同时不会存在极强腐蚀性，可解决活泼金属在水溶液电解中难以获取的问题，有效提升电解的电流效率，且能节省能耗，可以有效提炼无氢无氧金属。

4 结语

离子液体属于新型反应介质之一，将高温熔盐及有机溶剂的优势特点兼具，故而应用前景相当广阔。结合离子液体提取、分离有色金属时，仅需在室温或接近室温的条件下便可开展，不会对环境构成污染，同时具备温和的反应条件、不会耗费太多能耗，能够大幅度减少有色金属冶金中的成本耗费，应用潜力相当显著。为了促进离子液体应用价值及作用的进一步发挥，仍需深入研究离子液体在有色金属冶金中的应用。