一種用于鈷、鎳分離的全界面接觸高效萃取設備

周恩民，洪曉東，羅榮晶，華 麗

（江蘇沃民環境科技有限公司，江蘇 南京 210009）

溶劑萃取是濕法冶金中一種廣泛應用的分離方法，高效萃取設備對實現良好的萃取效果有重要意義。傳統的萃取設備主要有3種：混合澄清室，萃取塔，離心萃取器［1］。這3類萃取設備的研究主要集中在如何使占地面積變小、縮短停留時間、增大澄清速率、減小萃取劑夾帶損失、更好地控制萃取相連續性這些問題上。而我們研究的是一種創新型萃取設備——多相流渦輪增壓反應器，旨在縮短萃取工藝流程，從根本上提高萃取率。

鈷、鎳同屬第Ⅷ族第三周期，性質相近，在礦物中經常共生在一起，因此，鎳、鈷提取分離［2-3］是有色金屬冶金的重要課題之一。

磷類萃取劑適用于從硫酸鹽溶液中分離鈷、鎳，應用最廣泛的有二（2-乙基己基）磷酸（P204）［4］、2-乙 基 己 基 磷 酸-2 乙 基 己 基 脂（P507）［5］等，及20世紀80年代美國氰胺公司合成的新型萃取劑二（2，4，4-三甲基戊基）膦酸（Cyanex272）。

萃取劑Cyanex272的主要成分是二（2，4，4-三甲基戊基）膦酸，有很高的鎳、鈷分離系數，在鎳、鈷體系提取分離中有較好的性能，其分離鎳、鈷能力優于P204和P507［6］。該萃取劑適用于鎳、鈷變化范圍較大的各種硫酸鹽和氯化物溶液，對鈷的萃取率在99．9%以上，對鎳的萃取率僅有0．02%。

1 試驗部分

1．1 試驗原料

試驗所用含鈷硫酸鎳溶液取自某鎳冶煉廠，主要成分為：Ni 120g／L，Cu≤0．1g／L，Fe≤0．1 g／L，Co≤2g／L，pH＝5．5；萃取劑為Cyanex272，稀釋劑為磺化煤油，二者的體積比為1∶9。

1．2 試驗儀器、設備

全界面接觸高效萃取試驗機，1m3／h；

紅外溫度計，-50～380℃，精度±1．5%；

萃取槽，2臺，PVC，1m3。

1．3 試驗原理

全界面接觸高效萃取試驗機由3級多相流渦輪增壓反應器組成。多相流渦輪增壓反應器內分布多級開式葉輪和相應的按螺旋線式流道設計的導葉，高速旋轉的葉輪與導葉在多相流渦輪增壓反應器內對兩相流同步高精度切割（如圖1所示），使兩相流以微米級液滴高速碰撞，實現劇烈而均勻混合，高度分散，反應相界面增大，兩相流相界面微觀上形成“全界面”接觸，減少了相間離子遷移距離和反應時間，最終大大減少萃取反應級數。

圖1 多相流渦輪增壓反應器切割混合反應原理示意圖

全界面接觸高效萃取設備設有靜態混合器、多相流渦輪增壓反應器、澄清室。靜態混合器設置在多相流渦輪增壓反應器之前，物料混合后分別通過靜態混合器、多相流渦輪增壓反應器進入澄清室。澄清室與泵相連，保持物料的循環動力。

全界面接觸高效萃取工藝采用三級逆流萃取方式（如圖2所示）。物料硫酸鎳溶液和皂化后的萃取劑分別從兩端進入萃取系統，經過逆流萃取反應后分別離開多相流渦輪增壓反應器。萃取試驗機24h不間斷連續運行，定期檢測。

圖2 全界面接觸高效萃取工藝流程

1．4 分析方法

火焰原子吸收光譜法和滴定法。

2 結果與討論

2．1 反應級數的確定

運用估算逆流萃取級數的麥克比-錫利（McCabe-Thiele）圖解法，如圖3所示。2級萃取即可將溶液中的鈷質量濃度降到1mg／L以下。考慮到萃取反應存在一定效率，以效率80%計算，選取3級萃取進行以下試驗。

圖3 Cyanex272萃取鈷的等溫曲線

2．2 萃取劑皂化率對鈷萃取效率的影響

室溫下，用不同皂化率的萃取劑萃取鈷，如圖4所示，Cyanex272皂化率為55%時，萃取效率最高，為99．95%且試驗過程中不產生第三相；皂化率大于55%時，物料開始微量乳化，不利于反應的迅速澄清，萃取效率有所下降。因此，萃取劑Cyanex272最佳皂化率確定為55%。

圖4 萃取劑皂化率對萃取率的影響

2．3 料液與萃取劑體積比對鈷萃取率的影響

如圖5所示：料液與萃取劑體積比Va∶Vo＝3∶1時，萃取率最高為99．95%；當體積比大于3．5∶1后，萃取率大幅下降，這和萃取劑過量導致相間萃取遷移反應動力降低有關。因此，試驗確定最佳料液與萃取劑體積比為3∶1。

圖5 體積比對萃取率的影響

2．4 萃取體系PH對鎳、鈷萃取分離的影響

由圖6看出：體系pH在3～5范圍內，鈷、鎳分離系數和萃取率隨pH增大顯著增大；體系pH為5．5時，萃取率最高，為99．9%；體系pH＝5．8時，分離系數最高，但萃取率有所下降。因此，確定pH＝5．5為萃取反應的最佳pH。

圖6 萃取體系pH對萃取率的影響

2．5 反應溫度對鎳、鈷萃取分離的影響

如圖7所示：25℃和45℃下，不同溫度對萃取分離鎳、鈷的影響比較顯著，鎳鈷分離系數隨溫度升高而明顯升高，45℃時分離系數達14．5。因此，萃取反應的適宜溫度確定為45℃。

圖7 溫度對萃取率的影響

3 結論

全界面接觸萃取工藝運用自主研發的多相流渦輪增壓反應器進行兩相物料切割混合，使兩相物料以微米級形態進行碰撞接觸，萃取反應級數可降至3級（萃余液中鈷質量濃度＜1mg／L），設備投入及設備占地面積減小，萃取過程中不產生第三相。

試驗結果表明：在萃取劑皂化率55%、萃取劑與物料體積比1∶3、反應溫度45℃、在3級逆流萃取條件下，鈷萃取率達99．9%，實現鎳、鈷的高效分離。

［1］王勝，郭鵬成，趙燕春．離心萃取器在鎳鈷分離中的應用［J］．濕法冶金，2008，27（1）：48-50．

［2］劉三平，王海北，蔣開喜，等．鈷提取分離技術分析與應用［J］．有色金屬，2004，56（2）：73-76．

［3］肖超，肖連生．鈷、鎳萃取分離原理與方法［J］．濕法冶金，2010，29（4）：19-22．

［4］張愈祖，蔡傳算．含鈷硬質合金廢料的綜合回收［J］．礦冶工程，2000，20（2）：34-36．

［5］李立元，陳學田．P 507萃取劑在鈷、鎳分離系統中的應用［J］．世界有色金屬，1997（10）：26-28．

［6］吳濤，史文峰，李春雷．Cyanex272萃取劑在鎳鈷分離中的應用實踐［J］．新疆有色金屬，1997（2）：18-22．