浸取分离概述和动力学

1、浸取分离概述和动力学1、概述2、浸取过程热力学3、浸取过程动力学4、影响浸出速度的因素5、有机物的浸取1、概 述一、浸取的概念浸取，也称为浸出，是用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到溶液中的过程。用溶剂浸渍固体混合物以分离可溶组分及残渣，实质是一种固液萃取的单元操作。浸取所得的产物为浸出液，不溶性固体常被称为渣或载体。被浸取的物料，有天然的或经火法处理的矿物，也有生物物质，如植物的根、茎、叶、种子等。生活中的例子：用热水浸泡茶叶生病时喝的中药汤剂，就是把中草药放在水中加热熬成的，熬中药的过程就是加热浸取过程。药店出售的药酒就是药材用酒浸取后的浸出液。1、概 述工业中的应用：用硫酸或氨溶液从矿

2、石中浸取铜；用氰化物溶液浸取金矿而获得金；用温水从甜菜中浸取糖；用乙醇从大豆、花生中提取食用油；用水或有机溶剂从植物中提取药物成分；如用水从土茯苓浸取液萃取黄酮。 浸取工艺广泛应用于化学工业、湿法冶金、食品、医药等领域。优点：耗能少，设备和操作比较简单。 1、概 述在复杂的分离过程中，浸取过程常常是整个分离过程的第一步，它既可把有用物质从固体转到液体中，又可起到分离作用。例如，在湿法冶金过程中，常常先用酸或碱溶液把所需的金属元素从矿石中提取到溶液中，然后再用溶剂萃取或其他可溶性杂质分离。 1、概 述、浸取的分类：1）按浸取过程的作用原理来分物理浸取是单纯的溶质溶解过程，所用的溶剂有水、醇或其他

3、有机溶剂。化学浸取用于处理矿物，常用酸、碱及一些盐类的水溶液，通过化学反应，将某些组分溶出。细菌浸取用于处理某些硫化金属矿，靠细菌的氧化作用，将难溶的硫化物转变为易溶的硫酸盐而转入浸出液中。 1、概 述2）根据浸取工艺的操作条件来分： 常压浸取 热压浸取热压浸取有些反应在常温常压下不能实现，提高温度和压力后，使之成为可能。也可用这种方法来提高化学反应的速度。如用NaOH浸取硬铝石，操作条件为：230-240，约3040kPa， -AlOOH + NaOH + H2O= NaAl(OH)4偏铝酸钠 再如用碳酸钠浸取白钨矿的条件为： 180-200，约1510kPa。 CaWO4 + Na2CO3

4、 = Na2WO4 + CaCO3 3）根据浸取的介质来分： a、水浸取欲提取物在固相中以可溶于水的化合物形态存在时，可用水作溶剂把有价值的成分简单的从固相溶入液相中。如：硫化铜经硫酸化焙烧后，转变为易溶于水的硫酸铜，可用水浸取。 1、概 述 b、酸浸取常用的酸浸取剂有： 硫酸、硝酸氧化性，盐酸还原性，有时也用氢氟酸。酸浸取过程可能是简单的溶解，也可能是配合反应或氧化还原反应。例如，用硫酸浸取铀矿： UO3 + H2SO4 = UO2SO4 + H2O UO2SO4 + SO42- = UO2(SO4)22- UO2(SO4)22- + SO42- = UO2(SO4)34-这是一个配合反应，

5、其中6价铀反应得到可溶性的硫酸铀酰配合物。酸浸取的例子硼矿化学加工：莹石化学加工：铬酸酐生产：aCl2生产： c、碱浸取常用的碱浸取剂有：NaOH、Na2CO3、氨水、Na2S、NaCN等。碱浸取过程多数是配合反应。碱浸取在湿法冶金中得到广泛的应用。例如，在铀矿的处理过程中广泛使用Na2CO3和NaHCO3混合液使矿石中的铀以配合物的形式进入溶液，而杂质离子则留在固相中。 UO3 + 3CO32- +H2O= UO2(CO3)34- + 2OH-三碳酸铀酰配离子 ，OH- ，当增加到一定程度时，导致重铀酸钠沉淀的生成 UO2(CO3)34-+6OH-+2Na+ = Na2U2O7+6CO32-

6、+3H2O一旦生成Na2U2O7沉淀，就将和其他金属离子的氢氧化物沉淀混在一起，引起铀的损失。如果溶液中含有一定量的HCO3- ，则可抑制生成过量的OH-，可避免Na2U2O7沉淀的生成。c、碱浸取对于金属来说，通常都有与之对应的优良的浸取剂：镍、钴、铜氧化矿氢氧化铵，因它们易与氨形成配离子，可与那些不能产生配离子的组分分开，选择性较高；铝土矿氢氧化钠，可用于浸取As、Sb(锑)、Sn、Hg等元素；金、银氰化钠，金、银与之形成配合物后，降低了氧化、还原电位。浸取过程中，金属形成配合物是有利的，不仅可提供浸取的选择性，而且配合物比较稳定，不易水解。碱浸取在湿法冶金中得到日益广泛的应用。硼砂生产：

7、泡化碱生产 ：NaF生产： 800900oC焙烧 H2O浸取结晶干燥成品不溶性性碳酸盐 可熔性硼盐 硼矿 碱浸取的例子： d、盐浸取多种盐类都可作为浸取剂，如硫酸盐、氯化物等。其中一类在浸取中起氧化还原作用，而另一类则没有。如FeCl3、Fe2(SO4)3、CuCl2、NaClO等通常有氧化剂的作用。 UO2 + 2Fe3+ = UO22+ + 2Fe2+ MS + 2Fe3+ = M2+ + 2Fe2+ + S另外一类盐浸取剂没有氧化还原的作用，如NaCl、CaCl2、MgCl2等。 PbSO4 + 2NaCl= PbCl2 + Na2SO4 PbCl2 + 2NaCl = Na2PbCl4

8、 NaCl的作用只在于提供大量的Cl-离子，利用同离子效应以使Pb成为配离子而溶解。 e、细菌浸取 利用某些特殊细菌及其代谢产物的氧化作用，使得矿石中的有用组分进入溶液的过程。此类浸取目前主要应用于铜矿和铀矿的生产中，在处理残渣、残矿和低品位矿石等领域发挥作用。用于浸取的细菌大致有四类：氧化硫杆菌氧化S、SO2、S2O32-等；氧化铁杆菌氧化Fe2+；氧化铁硫杆菌氧化Fe2+、S2O32-；氧化硫铁杆菌氧化S、Fe2+硫化细菌的分布： 金属硫化矿、硫磺及煤矿的酸性废水中，利用空气中的O2、CO2及水中的微量元素为养料，维持自身的新陈代谢作用，并氧化水中的某些物质。它们习惯于酸性（）环境和有多种

9、重金属离子共存的溶液中，温度 35左右为宜。细菌浸取的机理：直接作用 细菌把硫化矿床中的硫和铁氧化成高价，破坏了晶格，从而使得矿石中的金属变成硫酸盐而转入溶液中； 如Cu2S + H2SO4 + 2.5 O2 = 2CuSO4 + H2O CuFeS2 + 4O2 = CuSO4 + FeSO4。催化作用 细菌在矿石的氧化过程中起催化剂的作用。如： 金属硫化矿在有氧和水存在时可被缓慢氧化： 2FeS2 +7O2 +2H2O = 2FeSO4 + 2H2SO4在有氧化铁杆菌存在时，FeSO4很快的被氧化成Fe2(SO4)3： 4FeSO4 +2H2SO4 +O2=2Fe2(SO4)3+ 2H2O

10、 Fe2(SO4)3是许多硫化矿的良好浸取剂。1.3 浸取过程的三种情况： 使欲提取的物质进入溶液，而其他伴生的元素和组分留在固相中； 如：用Na2CO3+NaHCO3浸取铀矿，此时铀以UO2(CO3)34-形式进入溶液，而杂质大部分留在固相中； 有时则相反，使欲提取的物质留在固相中，而伴生的元素和组分进入溶液； 如：用盐酸分解白钨矿(CaWO4) ，此时钙进入溶液，而钨则以钨酸的形式留在固相中；1、概 述 使欲提取的元素和伴生元素一起溶解，以后再进行分离。如用硝酸溶解辐照后的废铀元件，此时铀、钚和裂变产物如稀土、铯、锶等均被溶解进入溶液，以后再进一步用萃取法分类。1.4 固体物料在浸取前通常

11、需进行的预处理：粉碎。用以提高浸取率和浸取过程的速率。但过度粉碎会引起以后过滤操作的困难。若可溶组分被不能渗透的物质所包围，则物料必须磨碎到暴露表面为止。具有细胞结构的物料，如甜菜、大豆等，其细胞壁是扩散传质的主要阻力，但又是选择透过性膜。常根据所浸取组分的具体情况，决定粉碎物料时保持细胞壁完整(切片、刨丝等)或撕裂细胞结构(挤压，磨碎等)。如从甜菜提取蔗糖，常切成薄片，不破坏细胞壁，让糖分扩散出来，同时让蛋白质等大分子保留在细胞内。1、概 述固体物料在浸取前通常须进行的预处理：干燥。用有机溶剂浸取时，物料宜先经干燥以除去水分，借以提高浸出液的品质。火法加工。矿物经过焙烧，发生碳酸盐分解、氧化

12、或硫酸化以及氯化等反应，使其中所含的难溶组分转化为易溶的物质。因此耗用酸碱量减少，甚至能够用水浸取。 在研究浸取过程时，浸取剂的选择无疑是很重要的。选择浸取剂时总是希望它能满足一定的要求。但根据什么来判断浸取剂是否可以满足要求呢？热力学分析！2、浸取过程热力学从反应的标准生成自由焓变和平衡常数来判断反应的方向和限度。反应的标准生成自由焓变的负值越大越好，可获得较大的平衡常数值，即反应进行得较完全。2、浸取过程热力学例如，常温下用HCl浸取钛矿(FeOTiO2)，希望溶解FeO，而TiO2留在固相中： FeOTiO2(S) +2HCl = FeCl2 + TiO2(S) +H2O或 FeOTiO

13、2(S)+2H+2Cl- = Fe2+ + 2Cl-+TiO2(S) +H2O反应的标准自由能变化为：计算结果表明，焓变为负值，因此反应可向正方向进行。（判断可行性）2、 浸取过程热力学将前面的计算值代入，得：K0 = 10 ，即反应的平衡常数 反应可进行得很彻底 。 如计算出25时的标准焓变G00，表明在此温度下反应不能自发进行。此时可采取两种办法： （1）升高温度； （2）增加浸取剂的浓度 （1）由范特荷夫（Van de Hoff）公式：可推出： 若反应是吸热反应，即H0，只要提高温度（ T2T1），则K值也会增大，即表明提高温度，也能使反应正向进行。（2）由 可知，若G00 则K1。对于

14、反应AB (S) + C ( l ) = AC (S) + B(l)， ，如果C ，K值一定，则B也。即使用过量的浸取剂，仍可使反应进行到一定的程度。 例如，如用碳酸盐浸取钒： Ca(VO3)2 + CO32- = CaCO3+ 2VO3-平衡常数 ，计算得G00 只要增加CO32-的浓度，仍可得到相当数量的VO3- 。3、浸取过程动力学浸取过程是固液反应过程，是多相反应的一种。多相反应特点是反应发生在两相界面上，反应的速度与反应物在界面上的浓度、反应产物在液相和固相中的扩散速率都有关系。此外，还与界面性质、界面的几何形状、界面面积以及界面上有无新相生成等因素有关 。反应的速度问题是一个很重要

15、问题，如速度过慢，在实际上是不能实现的。过程动力学主要是研究反应速度及其影响因素，从而进一步找出加快反应速度的方法。3、浸取过程动力学3.1 浸取过程的5个步骤:反应物扩散到固体表面；反应物被固体表面吸附；在固体表面上进行反应；生成物从固体表面解吸；生成物通过扩散离开表面，进入液相。总反应速度取决于最慢的一步，它成为反应的控制步骤。一般情况下，吸附过程是较快的。扩散反应控制；化学反应控制3、浸取过程动力学3.2 动力学方程式 浸取过程中有关的动力学表达式是很多的，并随不同的对象而变化。最简单的情况就是固体为单个颗粒的情形。分两种情况讨论： 通过液膜的扩散 通过固膜的扩散 3、浸取过程动力学(1

16、) 通过液膜的扩散当固-液两相接触时，在固体表面必有一层液膜，或厚或薄，其厚度和随着搅拌速度而变化，但不会消失。浸取剂只有通过这层液膜才能到达固体表面进行反应，如在固体表面的化学反应非常快，可视为扩散控制过程。假定液相的搅拌足够，则可认为液相中浸取剂的浓度是均匀的，液膜厚度也均匀。这时可应用菲克第一扩散定律（Fick）： 3、浸取过程动力学菲克第一扩散定律：其中：J 扩散质流，即单位时间内单位面积上扩散的物质量；D扩散系数，m2/s； 浓度梯度； x 扩散层厚度。通过液膜层的扩散示意图固体C0CsJ 也可表达为： n 扩散物的分子数或摩尔数； t 扩散时间，s； A 固体表面积，cm2故上式可

17、表示为：如固体为球形颗粒，其表面积为S = 4r2，对上式右边进行积分，得： r 颗粒半径，cm； 液膜的厚度，cm c0浸取剂在液相中的浓度； cs浸取剂在固体表面的浓度。 式中的负号表示扩散的方向与浓度增加的方向相反 。(2)通过固膜的扩散（生成物在固体表面积聚时）如果反应产物在固体表面积聚下来，通过这层固体的扩散可能成为整个浸取过程速度的限制步骤。如果产物是疏散的，反应速度不受这一层固体的影响；如果反应产物形成致密的层，那么反应速度受到物质在这层固膜内扩散的影响。假定生成物的体积恰好等于反应掉的那部分物质的体积，颗粒内部有一未反应的核，如示意图所示。3、浸取过程动力学通过固膜层的扩散示意

18、图未反应的核C0Csrsr0rs 核的半径，cm； r0 颗粒中心到固膜表面的距离，cm；c0 浸取剂在液相中的浓度； cs 浸取剂在固体核表面的浓度。此时仍可应用菲克扩散定律： 与液膜不同的是： 液膜的厚度dr是不变的，而固膜的厚度是随时间而增加的。即对上式两边积分，得： rs 核的半径，cm； r0 颗粒中心到固膜表面的距离，cm；c0 浸取剂在液相中的浓度； cs 浸取剂在固体核表面的浓度。由于是扩散控制过程，故cs = 0，所以，上式变为：用硫酸高铁浸取细磨黄铜矿的过程，生成了致密的一层硫，包裹在矿物颗粒的表面，所以浸取的速率特别慢。 4、影响浸出速度的因素1颗粒大小2浸取剂浓度3浸取

19、的温度4搅拌速度 1）颗粒大小 浸取过程是一个固-液相之间的反应过程，反应速度随接触表面的增大而上升，显然，减小颗粒度，可增加接触面积，对提高浸取速度是有利的； 2）浸取剂浓度 体系的反应速度与此瞬间的各反应物的浓度的乘积成正比，因此，增加浸取剂的浓度显然有利于反应速度的提高； 4、影响浸出速度的因素 3）浸取的温度 温度可使浸取过程的速度，尤其对反应速度控制的类型。 有些过程在低温下属于反应速度控制类型，而在高温下反应速度增加很快，属于扩散控制类型，中间温度时则属于过渡区，即属于混合控制类型。 当然，浸取的温度也不宜过高，否则不但在不经济，也会使进入溶液的杂质增多。 4、影响浸出速度的因素

20、4）搅拌速度 多数情况下，浸取时都要搅拌，使浸取剂迅速接近固体表面，反应产物迅速到达液相主体。 搅拌的另一个重要作用是使扩散层（液膜）减薄。 但搅拌也不宜太剧烈，过度的搅拌会使小颗粒与溶液一起运动起来，产生离心力，从而使固液分离。所以搅拌速度有一个最佳范围，通常通过试验来确定。 4、影响浸出速度的因素 有机物浸取的例子非常多，在食品、医药、化工等工业中有广泛的应用。如： 水 + 粗烤咖啡 咖啡 正己烷 + 大豆 豆油 80%乙醇+丁香、麝香草 香料 CH2Cl2 + 罂粟 鸦片提取物 稀酸 + 去糖的果渣 果胶5、 有机物的浸取浸取过程中的工艺问题 (1) 浸取剂的选择 浸取剂多种多样，但有些

21、浸取剂是有毒有害致癌的物质。 在食品、医药等工业中，一定要慎重选择。如苯、氯苯等。在食品工业中，常用的浸取剂是水、酸和无毒的盐溶液、己烷、乙醇、CH2Cl2、丙酮等，有时也用低分子量的酯及植物油。5、有机物的浸取 (2) 增溶作用 在浸取过程中，由不溶性物质向可溶性物质的转变称为增溶作用。 有利方面：把生物大分子低分子量的物质 如：果原胶向果胶的转化，胶原向胶质的转化，咖啡豆中多糖向低分子糖的转化，麦芽糖向葡萄糖的转化，经pH值的调节可引起蛋白质的溶解等； 不利方面：有时浸取过程也出现溶质向不溶性物质的转化，此时我们就要避免增溶现象的出现，以免产生一些不希望的副产品。 如:在甜菜或苹果的浸取中

22、就要避免形成果胶5、有机物的浸取6、浸取的应用应用1：硫脲浸取金 常温下在H2C2O4-H2SO4介质中，用50 g/L硫脲(Tu)溶液浸取含金硫化矿中Au，对金的浸取率可达99.8%，然后使用Cl-P204萃淋树脂富集浸取液中的Au,用结晶紫分光光度法测定。 该法用于硫化原生矿及含硫浮选精矿中Au的测定，所得结果与王水分解原子吸收法测的的结果相符。 硫脲(Tu)是一种良好的浸金试剂，已在金矿浸出工艺中有过较深入研究。硫脲浸金具有速度快、污染小，可低温进行等优点，能够在测金样品分解中做为王水替代试剂。 应用2：软锰矿的催化浸取技术 在H2SO4介质中和催化剂的作用下，MnO2与还原性物质反应而

23、生成MnSO4。 该技术广泛用于生产电解锰及锰产品的工业中软锰矿的浸取。6、浸取的应用应用3：盐酸浸取高岭土中氧化铝 用盐酸浸取高岭土中氧化铝，盐酸浓度为30,盐酸与氧化铝的摩尔比为6,酸浸时间为2h时,试样中的氧化铝浸出率达到89，加入反应剂焙烧可减少酸浸时间。6、浸取的应用应用4： 氨水-碳铵联合浸取制备高纯度活性氧化锌活性氧化锌以其独特的质量特性应用于橡胶工业，能显著提高橡胶制品抗疲劳、抗老化性能，增强橡胶制品的粘合性。 利用回收含锌废水生产活性氧化锌，以次质氧化锌通过锌氨络合反应，经过除杂、解析、脱水、烘干和焙烧等工序，获得高纯度活性氧化锌。6、浸取的应用小知识：浸出的和榨出的食用油有哪些差别？压榨油是用机械方法生产，而浸出油是加入化学溶剂生产出来的，前者食用时更安全？小知识：浸出的和榨出的食用油有哪些差别？ 在选购食用油时，很多消费者把压榨和浸出作为区别食用油好坏的 一个标准，认为压榨油是用机械方法生产，而浸出油是加入化学溶剂生产出来的，前