杯[8]芳烃衍生物离心分馏萃取轻稀土新技术研究

In order to solve the problems of low selectivity, lwo separation efficiency and serious polution in the current process of rare earth separation. This project develops a new and efficient separation technology which is fractional extraction of light rare earths using calix[8]arene derivatives as extractant in a cascade of centrifugal contactor separators. A series of different structure of calix[8]arene derivatives will be synthesized and the theromodynamices and reaction kinetics of extraction will be investigated, after wihch a single-stage extraction model will be established. Based on the single-stage extraction model the multistage extraction theories, the fractional extraction model will be established. The established mathematical model will be used to simulate and optimize the process by Matlab and similar software platform. Multistage extraction will be performed based on the simulation and optimization to obtain high purity light rare earths. Based on CFD-PBM coupling model and reaction kinetics model, a transfer mathematical model will be established. The model will further be used to simulate the transport phenomena of two liquid phase in centrifugal contactor separator and internsify the mass transfer of the extraction process. The flow field investigation will provide theoretical basis for design, amplification and intensification of the extraction process.

针对目前稀土分离过程中存在的选择性差、分离效率低、污染严重等问题，本项目利用杯[8]芳烃衍生物对稀土离子良好的选择性，提出一种高效分离轻稀土的新技术--基于离心萃取器分馏萃取轻稀土新技术。本项目设计合成具有高选择性的杯[8]芳烃磷氧化物，对轻稀土进行萃取分离，研究萃取过程中的热力学及动力学，并构建单级萃取数学模型；进一步基于多级萃取机理，建立分馏萃取数学模型；根据该模型运用Matlab软件平台模拟和优化萃取过程，构建多级串联离心萃取工艺，获得最佳操作参数及萃取规律，从而实现轻稀土高效萃取分离。根据CFD-PBM耦合模型，结合反应萃取动力学模型，建立离心萃取器稀土萃取传递数学模型。利用该模型模拟离心萃取器中的液-液两相传递现象，分析离心萃取器内流场特性，优化离心萃取器设计，强化稀土萃取传质效率，为稀土的高效分离以及萃取设备的设计、放大和过程强化提供理论基础。

无氨氮污染萃取分离获得高纯轻稀土是近年来稀土工业技术研究的难点。本项目首先研究了对叔丁基杯[8]芳烃，对叔丁基杯[8]芳烃磷酸酯，去叔丁基杯[8]芳烃，去叔丁基杯[8]芳烃磷酸酯四种萃取剂的合成和结构表征，获得了多种新型稀土萃取剂。研究了上述四种萃取剂对轻稀土离子La3+、Ce4+、Pr3+、Nd3+的萃取性能，找到了最佳萃取条件，建立了高效的萃取体系。在此基础上我们用这些萃取剂对La3+与Ce4+和Pr3+与Nd3+的混合稀土进行了萃取分离实验研究，研究了萃取分离混合稀土的条件，找到了较为适合分离La3+和Ce4+以及分离Pr3+和Nd3+的新型萃取剂和最佳分离条件。我们还对新型萃取剂的萃取机理、分离机理进行了初步的研究。在上述研究的基础上，我们进行了基于杯[8]芳烃磷酸酯的多级分馏萃取分离混合稀土的实验研究，构建了单级和多级离心分馏萃取分离的数学模型，并以实验对这些数学模型进行了验证。若用对叔丁基杯[8]芳烃磷酸酯作为萃取剂，通过10级离心萃取分馏萃取分离La3+和Ce4+混合稀土，可获得纯度为99.82%的镧。本研究为寻找到一种无污染的分离轻稀土的新型萃取剂和开发萃取分离新型工业技术提供了理论依据，可望有较广阔的应用前景。