乳酸-柠檬酸协同络合作用下微流体萃取稀土元素的传质过程和机理研究

This project points to the issue of polluting environment by saponification waste water in the solvent extraction process, and the disadvantages of the conventional extraction equipment (mixer-settler) like long mixing time, large factory area occupation, high energy consumption and so on, a new microfluidic solvent extraction (SX) technology for rare earths under synergistic complexing effect of lactic acid and citric acid is proposed to achieve the goal of “efficient, environment-friendly and safe”. This project uses the rare earth chloride solution containing the complexing agents lactic acid and citric acid as the research object, and intends to investigate the transfer process and mechanism of microfluidic extraction rare earths under the synergistic complexing effect of lactic acid and citric acid. This project focuses on studying transfer process, extraction mechanism and dynamic process, to reveal the essence of extracting and separating rare earths in a micro-extractor effectively; exploring the flow characteristics of microfluidic SX of the two phases to solve the key common basic problems of hydrometallurgical microfluidic SX; studying the effect of various factors on the process parameters and cyclic utilization of complexing agents to obtain a clean extraction technology. Therefore, the results of this research project are expected to provide theoretical foundation for achieving the efficient cleaning extraction process and advancing the industrial application in rare-earth industry of microfluidic extraction technology under synergistic complexing effect.

项目针对目前稀土萃取分离过程中存在皂化废水污染环境，萃取设备（混合澄清槽）存在混合时间长、占地面积大和能耗高等问题，提出了乳酸-柠檬酸协同络合作用下微流体萃取分离稀土的新方法，实现萃取过程的“高效、绿色、安全”的目标。项目以含有络合剂乳酸和柠檬酸的氯化稀土水溶液为研究对象，拟开展乳酸-柠檬酸协同络合作用下微流体萃取稀土的传质和机理研究。着重研究协同络合作用下微流体萃取稀土的传质过程、萃取机理和动力学机制，揭示高效萃取分离稀土的实质；研究微流体萃取过程中两相流动特性，解决湿法冶金微流体萃取稀土的关键共性基础问题；探索各种因素对萃取参数和络合剂循环利用的影响规律，获得清洁萃取新工艺。本项目的研究成果有望为实现稀土萃取过程的清洁高效和推进协同络合作用下微流体萃取技术在稀土行业的工业化提供理论依据。

项目针对目前稀土萃取分离过程中存在皂化废水污染环境，萃取设备（混合澄清槽）存在混合时间长、占地面积大和能耗高等问题，开展了乳酸-柠檬酸协同络合作用下微流体萃取分离稀土的研究，实现了稀土高效萃取分离，获得了最佳的操作参数及微流体萃取规律。主要研究内容包括：①采用Comsol Multiphisics软件对Y型和T型微通道内的流动特性进行模拟研究，揭示了两相流动的作用机制；②对络合作用下微流体萃取稀土的传质性能进行了系列研究，发现微通道由于其较大的比界面积和较短的扩散路径，体积传质系数（0.011～1.642s-1）明显比传统萃取器如混合澄清槽（1.01×10-1～1.97×10-2s-1）和离心萃取器（1.55×10-2～4.65×10-2s-1）的结果提高1～2个数量级，说明微通道强化了两相间的传质效果；③微流体萃取分离稀土的工艺参数和络合剂的回收过程研究表明，微流体萃取过程仅需要停留时间12s达到平衡，远小于常规萃取的300s平衡时间，Ce/La、Pr/Ce和Nd/Pr的最大分离系数分别达到9.50、4.03和2.34，高于目前工业皂化P507萃取体系结果（Ce/La=8.0，Pr/Ce=2.2和Nd/Pr=1.6），且经过10级逆流萃取，乳酸和柠檬酸的萃取率都能达到99%以上，10级反萃浓缩后，乳酸和柠檬酸达到浓缩效果，为络合剂回收利用即直接返回进行稀土矿物的溶出提供了可能性；④萃取机理研究表明在P507萃取稀土离子过程中，萃取反应是通过萃取剂分子中磷羟基P-O-H的H+的阳离子交换和磷酰基P=O配位作用而生成配位数为6的螯合型稀土络合物；⑤动力学分析表明该萃取过程属于扩散控制过程，主要反应发生在液-液界面上。. 总之，络合作用下微流体萃取有利于克服液-液两相传质阻力，提高萃取分离效果和传质性能，且从源头上避免了皂化废水对环境的污染，为稀土萃取过程向安全、绿色和高效的方向发展提供了可能性。本项目的成功实施为稀土溶剂萃取分离提供了一种新的技术原型，进一步拓展了微流体技术的应用领域，具有广阔的应用前景。