微反应器中溶剂萃取分离钴镍的研究

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1、分类号______________密级_______________UDC_______________博士学位论文微反应器中溶剂萃取分离钴镍的研究研究生姓名：张利华指导教师姓名、职称：彭金辉教授学科专业：有色金属冶金研究方向：湿法冶金论文工作起止日期：2013年9月-2018年5月论文提交日期：2018年5月昆明理工大学博士学位论文摘要摘要镍和钴作为我国重要的战略储备金属，在工业生产中占据重要地位。由于相近的物理、化学性质，常共生、伴生于矿床和二次资源中。从溶液中进行分离回收是钴、镍精炼技术中的一个重要问题，也是湿

2、法冶金中较为困难的操作工序。论文针对目前常规溶剂萃取分离镍钴中存在的传质距离长、传质推动力小、难以精确定量调控等问题，研究开发微反应器中溶剂萃取分离钴镍新技术。液-液两相在微通道内被切割成微米甚至纳米尺度流体，流体间的压力、温度、密度和浓度等物理量梯度显著增加，两相间传质距离缩短，传质界面积增大，传质推动力得到增强。因此，微流体溶剂萃取具有设备尺寸小、无需机械外力搅拌而通过结构化的微通道实现两相均匀快速混合、两相接触时间短、萃取分离效果好、传质效率高、停留时间分布均匀、不易乳化等突出优点。将三种代表性的结构化微反应器

3、，即多层流式的内交叉指型微混合器（SlitInterdigitalMicromixer，简写为SIM）、弹状流型的螺旋流逆变微反应器（CoiledFlowInverter，简写为CFI）和混沌对流式的3D圆台型微反应器（3DConverging-divergingMicroreactor，简写为3DM）应用于钴镍萃取分离的研究，揭示不同工艺和结构参数对钴镍分离效果的影响规律。主要研究内容和得到的结论如下：（1）SIM中P507萃取分离钴镍的研究。SIM的狭缝交叉型微通道结构将两相流体细分成n个交互薄层，形成厚度仅为几

4、十微米甚至更小的多层流流体，极大地增加两相接触面积、减少扩散距离，强化液-液两相的混合和传质过程。首先，研究终点pH、两相接触时间对钴、镍萃取分离的影响规律，并与常规萃取进行平行比较。结果表明：皂化率70%的20%v/vP507萃取分离钴镍的时间可由常规萃取的5min减少到9.6ms；钴单级萃取率由常规的72.5%提高到85.5%，Co/Ni分离系数由14.3增加至30.4，将99.9%以上的钴萃取进入到有机相的逆流萃取级数由7级减少到4级，SIM微反应器中钴/镍萃取分离效果得到显著提高。其次，对钴、镍的总体积传质系

5、数kLa进行比较分析，发现与常规萃取中钴、镍kLa值分别为（3.3~19.9）×10-3s-1和（1.9~11.4）×10-3的结果相比，SIM中钴、镍的k-1-1La值分别为13.7~575.2s和24.8~168.7s，提高3~4个数量级。I昆明理工大学博士学位论文摘要最后，对负载有机相在微芯片反应器中进行反萃研究，钴、镍的单级反萃率分别达到99.5%和98.9%，优于常规反萃结果，且通过多次循环的再生有机相结构稳定。（2）CFI中Cyanex272萃取分离钴镍研究。考察溶液终点pH、接触时间、萃取剂浓度对钴镍萃

6、取分离的影响规律，并与常规萃取进行平行比较。结果表明，接触时间59s、15%v/vCyanex272在40%皂化率下，CFI中Co/Ni分离系数为775，比常规萃取的383提高2倍。液-液两相在CFI微通道内形成典型的弹状流流型，以液弹内循环和液弹间的扩散进行传质。螺旋绕线耦合90°直角的结构强化弹状液滴内循环的横向和径向混合效果。与未结构化的直毛细管萃取结果进行对比，发现CFI中钴镍的萃取分离性能得到提高。CFI中钴、镍的k-1La值分别为0.017~0.256s和0.004~0.057s-1，Co/Ni的总体积传

7、质系数差异约为4.5倍，高于常规萃取的1.6~2倍。通过对规则弹状流比表面积的计算，获得钴、镍的总质量传递系数k-5-1-5-1L分别为（0.99~12.88）×10m·s和（0.21~2.84）×10m·s。（3）3DM中Cyanex272萃取分离钴镍研究。3D收缩-扩张型微通道结构产生类似搅拌的复杂三维内循环流动，通过混沌对流强化两相的混合和传质过程。3DM的特殊微通道结构降低流体的压降和能量耗散值ε。通过对接触时间、萃取剂浓度的参数优化，发现皂化率为40%的12.5%v/vCyanex272在两相接触时间9s条

8、件下，钴的单级萃取效率达到99%以上，Co/Ni分离系数为1367，通过2级逆流萃取可使99.8%以上的钴萃取进入有机相。研究不同ε和萃取剂浓度对kLa的影响规律，得到钴、镍的kLa值分别为0.011~1.20s-1和0.0006~0.13s-1，两者总体积传质系数差异最大可达18倍。综上所述，与常规大反应器和未结构化的直通道微反应器相比，三种