離子液體在有色金屬濕法冶金中的應用

介紹

有色金屬是重要的戰略資源并有著廣泛的工業應用,比如工業設備,醫療,
運輸業,能源,建造業,汽車,飛機,電子設備以及包裝材料。大多數的有色金屬是通過濕法冶金工業來獲得。比如,酸和堿主要用于溶解金屬氧化物,硫化物或硅酸鹽。電解和溶劑萃取頻繁用于回收金屬和富集金屬。有限數目的高溫熔融鹽也被廣泛應用于難熔金屬的回收。像鈦和鋁就來自于鈦礦和鋁礦[1]。近年來,有色金屬工業在快速地發展并取得了明顯的進步。然而,從天然礦石中得到的有色金屬的生產一般來說是耗能高,耗酸多,環境污染大以及腐蝕嚴重。進一步說,礦石需要從富含量少,檔次低或地質復雜地段并正在逐漸開采殆盡的高品質礦體中來。因此,以減少能源消耗,降低投資成本和減少溫室氣體排放的高效低溫環境友好型的金屬處理技術的發展是當務之急[2]。近年,由于離子液體的低毒性以及對環境幾乎沒有影響,因此被認為是最有希望的候選者。離子液體作為溶劑在冶金礦石中的應用可以為環保敏感的媒體提供一種潛在性以及為濕法冶金工藝提供替代方案。

離子液體(ILs)也叫做室溫離子液體(RILS)以及常溫熔融鹽。離子液體在常溫下為液態[3],是完全由有機陽離子和無機(或有機)陰離子組成。離子液體有許多有趣的物理性質,這些性質引起了許多化學家的基本興趣。由于在離子液體中進行的熱力學和動力學反應不同于在傳統的溶劑分子中進行的這兩種反應,就我們現階段所掌握的化學知識來說,化學是不斷變化發展的并且是不可預測的。離子液體已被成功廣泛地應用于材料的合成和制備,催化劑,金屬的電沉積以及燃料電池[4-6]。離子液體在溶劑和電化學方面的應用[4-6]具有以下幾點普性:1)非可燃性并且有非常低(或可忽略)的蒸汽壓。非可燃性的離子液體用作放熱反應的溶劑特別有價值。忽略不計的蒸汽壓意味著溶劑的揮發性可被忽略,并減少了對呼吸防護系統和排氣系統的需要。利用蒸汽壓低的性質可以用于高真空系統和產物與副產物的蒸餾與升華,而這些用傳統的低沸點的有機溶劑是做不到的。2)離子液體可以溶解廣泛范圍的無機和有機化合物。對于將不同組成的試劑溶解到相同相是重要的應用。3)具有廣泛的液體范圍和熱穩定性,可以使之加寬溫度范圍并且相對于通過使用傳統的分子溶劑和電解質系統達到的化學或電化學過程的動力控制來說,這可以使得動力控制更巨大。并且這個性質也用于依賴于溫度的分離技術,比如萃取,沉淀或結晶。4)更低的熔點,空氣和水的穩定性也增加了電化學的反應范圍。5)寬廣的電化學窗口,強的電化學穩定性和離子導電性,使得先前超越溶劑極限的電化學過程可以被觀察到。并且可以應用于替代傳統的溶劑基電解質。它易揮發,易燃,易滲漏且易腐蝕。它已被成功廣泛地應用于金屬的電沉積(尤其是活潑性金屬)以及許多的電化學電器,具體包括:燃料電池,太陽能電池和容量電池。6)離子液體是可設計型溶劑。不同的陽離子和陰離子可以組成不同種的離子液體并且它們的性質可以通過改變陽離子和陰離子被調節到適應一特定過程所需的要求。像濃度,熔點,粘性等性能可以通過簡單改變離子的結構而被改變。當在進行溶劑萃取或產物分離時,可以對離子的相對可溶性和萃取相的相對溶解性進行調整,以使該分離盡可能容易,這可以說是實質性的好處。

初步研究已經表現出離子液體具有作為金屬回收的溶劑和電解質的潛在性。從一種礦物基質中萃取金和銀[7],從用過的核燃料中回收鈾和钚[8],以及從離子液體中電沉積和電解金屬(尤其是鋰、鈉、鋁、鎂和鈦)[9-11]。研究成果已經表明:相對于傳統的過程,從離子液體電沉積鋁可以節省30%–50%的能量消耗,并且這種技術作為一種工業技術項目已被阿拉大學,奧爾巴尼研究中心,世紀鋁業公司,SECAT公司以及肯塔基大學的合作伙伴強有力地支持著。作為綠色試劑和電解質的離子液體在有色金屬的萃取和分離方面表現出重要的潛在的應用。本文從全新的觀點出發,綜述了離子液體對有色金屬的萃取和分離的重要的基礎研究和應用研究。具體包括:金屬氧化物處理,黃銅礦和金屬氧化物礦石的濕法冶金以及金屬離子的萃取和分離。

結論

一種新型的”綠色“介質—離子液體在有色金屬的萃取和分離中已經顯現
了重要且潛在的應用。這就表明可以在接近室溫下用離子液體進行萃取和分離過程。并且這可以顯著地降低耗能量,操作成本以及污染物的排放。近年,在用離子液體對有色金屬進行萃取和分離方面的研究已取得了許多成果,并取得了各種重要的進展。如對金屬氧化物的處理,金屬離子的萃取和分離,礦物處理,金屬的電沉積和電解精煉等??偟膩碚f,離子液體是獨一無二的很有前景的萃取溶劑,因為它們具有非揮發性,可調節的疏水性和極性以及溶解能力。

然而,那依然還有一些問題有待解決,因為迄今為止,有關離子液體的信息并不廣為人知并且大多數研究工作僅僅是在實驗室中完成的。離子液體的結構與性質之間是什么關系呢?陰陽離子的不同組合可以產生許多種離子液體(達10^18)并且離子液體的性質取決于離子的結構。我們該怎么做?該怎樣從一個具體的研究開始?金屬氧化物處理,礦物處理以及金屬離子的電沉積和萃取機制又是什么?像金屬離子這樣的離子以及離子液體中的陰陽離子的行為又是怎樣的?

參考資料及更多圖表數據:

百度百科:

http://wenku.baidu.com/view/110e5d1de45c3b3567ec8bbc.html

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