离子液体在有色金属湿法冶金中的应用

介绍

有色金属是重要的战略资源并有着广泛的工业应用,比如工业设备,医疗,
运输业,能源,建造业,汽车,飞机,电子设备以及包装材料。大多数的有色金属是通过湿法冶金工业来获得。比如,酸和碱主要用于溶解金属氧化物,硫化物或硅酸盐。电解和溶剂萃取频繁用于回收金属和富集金属。有限数目的高温熔融盐也被广泛应用于难熔金属的回收。像钛和铝就来自于钛矿和铝矿[1]。近年来,有色金属工业在快速地发展并取得了明显的进步。然而,从天然矿石中得到的有色金属的生产一般来说是耗能高,耗酸多,环境污染大以及腐蚀严重。进一步说,矿石需要从富含量少,档次低或地质复杂地段并正在逐渐开采殆尽的高品质矿体中来。因此,以减少能源消耗,降低投资成本和减少温室气体排放的高效低温环境友好型的金属处理技术的发展是当务之急[2]。近年,由于离子液体的低毒性以及对环境几乎没有影响,因此被认为是最有希望的候选者。离子液体作为溶剂在冶金矿石中的应用可以为环保敏感的媒体提供一种潜在性以及为湿法冶金工艺提供替代方案。

离子液体(ILs)也叫做室温离子液体(RILS)以及常温熔融盐。离子液体在常温下为液态[3],是完全由有机阳离子和无机(或有机)阴离子组成。离子液体有许多有趣的物理性质,这些性质引起了许多化学家的基本兴趣。由于在离子液体中进行的热力学和动力学反应不同于在传统的溶剂分子中进行的这两种反应,就我们现阶段所掌握的化学知识来说,化学是不断变化发展的并且是不可预测的。离子液体已被成功广泛地应用于材料的合成和制备,催化剂,金属的电沉积以及燃料电池[4-6]。离子液体在溶剂和电化学方面的应用[4-6]具有以下几点普性:1)非可燃性并且有非常低(或可忽略)的蒸汽压。非可燃性的离子液体用作放热反应的溶剂特别有价值。忽略不计的蒸汽压意味着溶剂的挥发性可被忽略,并减少了对呼吸防护系统和排气系统的需要。利用蒸汽压低的性质可以用于高真空系统和产物与副产物的蒸馏与升华,而这些用传统的低沸点的有机溶剂是做不到的。2)离子液体可以溶解广泛范围的无机和有机化合物。对于将不同组成的试剂溶解到相同相是重要的应用。3)具有广泛的液体范围和热稳定性,可以使之加宽温度范围并且相对于通过使用传统的分子溶剂和电解质系统达到的化学或电化学过程的动力控制来说,这可以使得动力控制更巨大。并且这个性质也用于依赖于温度的分离技术,比如萃取,沉淀或结晶。4)更低的熔点,空气和水的稳定性也增加了电化学的反应范围。5)宽广的电化学窗口,强的电化学稳定性和离子导电性,使得先前超越溶剂极限的电化学过程可以被观察到。并且可以应用于替代传统的溶剂基电解质。它易挥发,易燃,易渗漏且易腐蚀。它已被成功广泛地应用于金属的电沉积(尤其是活泼性金属)以及许多的电化学电器,具体包括:燃料电池,太阳能电池和容量电池。6)离子液体是可设计型溶剂。不同的阳离子和阴离子可以组成不同种的离子液体并且它们的性质可以通过改变阳离子和阴离子被调节到适应一特定过程所需的要求。像浓度,熔点,粘性等性能可以通过简单改变离子的结构而被改变。当在进行溶剂萃取或产物分离时,可以对离子的相对可溶性和萃取相的相对溶解性进行调整,以使该分离尽可能容易,这可以说是实质性的好处。

初步研究已经表现出离子液体具有作为金属回收的溶剂和电解质的潜在性。从一种矿物基质中萃取金和银[7],从用过的核燃料中回收铀和钚[8],以及从离子液体中电沉积和电解金属(尤其是锂、钠、铝、镁和钛)[9-11]。研究成果已经表明:相对于传统的过程,从离子液体电沉积铝可以节省30%–50%的能量消耗,并且这种技术作为一种工业技术项目已被阿拉大学,奥尔巴尼研究中心,世纪铝业公司,SECAT公司以及肯塔基大学的合作伙伴强有力地支持着。作为绿色试剂和电解质的离子液体在有色金属的萃取和分离方面表现出重要的潜在的应用。本文从全新的观点出发,综述了离子液体对有色金属的萃取和分离的重要的基础研究和应用研究。具体包括:金属氧化物处理,黄铜矿和金属氧化物矿石的湿法冶金以及金属离子的萃取和分离。

结论

一种新型的”绿色“介质—离子液体在有色金属的萃取和分离中已经显现
了重要且潜在的应用。这就表明可以在接近室温下用离子液体进行萃取和分离过程。并且这可以显著地降低耗能量,操作成本以及污染物的排放。近年,在用离子液体对有色金属进行萃取和分离方面的研究已取得了许多成果,并取得了各种重要的进展。如对金属氧化物的处理,金属离子的萃取和分离,矿物处理,金属的电沉积和电解精炼等。总的来说,离子液体是独一无二的很有前景的萃取溶剂,因为它们具有非挥发性,可调节的疏水性和极性以及溶解能力。

然而,那依然还有一些问题有待解决,因为迄今为止,有关离子液体的信息并不广为人知并且大多数研究工作仅仅是在实验室中完成的。离子液体的结构与性质之间是什么关系呢?阴阳离子的不同组合可以产生许多种离子液体(达10^18)并且离子液体的性质取决于离子的结构。我们该怎么做?该怎样从一个具体的研究开始?金属氧化物处理,矿物处理以及金属离子的电沉积和萃取机制又是什么?像金属离子这样的离子以及离子液体中的阴阳离子的行为又是怎样的?

参考资料及更多图表数据:

百度百科:

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

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