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稀土百科 | 超声波在溶剂萃取分离稀土中的应用

稀土百科 | 超声波在溶剂萃取分离稀土中的应用 中国稀金谷大数据
2022-06-28
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 超声波是一种高频机械波，其频率范围为15～60kHz。由于超声波可以产生空化效应、热效应和机械效应，因此常被用于过程的强化和引发化学反应，目前已被广泛应用于医学、冶金等各领域中。

内蒙古科技大学李梅研究团队以未皂化的P204为萃取剂，研究了超声波作用下镧铈元素的萃取分离。考察了料液酸度、超声波强度、超声波频率分别对镧铈分离系数及饱和萃取容量的影响。

考察了超声波强度分别为14W／c㎡、16W／c㎡、18W／c㎡和20W／c㎡时P204萃取镧铈的分离系数。超声波强度的增大有利于超声空化及其次级效应的加强，而这些作用均能够强化P204萃取分离镧铈元素。镧铈的分离系数随超声波强度的增加而升高，分离系数最大为4.63。

考察了超声波频率分别为15kHz、20kHz、25kHz和30kHz时P204萃取镧铈的分配比和分离系数，可以看出， 镧铈的分离系数随超声波频率的升高而增大。

实验考察了pH为5时超声波对镧铈饱和萃取容量的影响。从中可知，超声波作用下镧铈的饱和萃取容量均大于无超声波作用，且饱和萃取容量随超声波强度的增大而增大，在相同超声波强度下频率越大，稀土元素的饱和萃取容量也越大。无超声波场时P204萃取稀土元素的机理是阳离子交换机制，且每萃取一个稀土离子放出3个氢离子。当超声波在液体中传播时，会发生超声空化效应、机械效应、热效应等。

超声空化效应是指液体中的超声波在其负压相“拉断”液体分子形成空穴，这些空穴膨胀至半径最大值，随后在正压相急剧收缩并发生崩溃，产生强烈的冲击波和高速射流等。高频振动的超声波促使液体分子之间剧烈摩擦，这种机械机制使得空化泡崩溃产生的巨大剪切力有可能“打碎”分子的化学键，导致物质的结构发生改变。

因此分析认为在超声波作用下P204萃取分离稀土元素过程中，由于超声波的空化作用，空化泡崩溃产生的冲击波容易使得P204二聚体中的氢键部分断裂，因此有更多的单体P204能够与稀土离子发生萃取反应，所以超声波作用下镧铈的饱和萃取容量均大于无超声波作用，镧和铈的最大值分别达到19g／L和35g／L。

同样从前面的实验可知超声波强度为20W／c㎡、频率为30kHz时镧铈的分离效果最好，因此实验考察了该条件下pH分别为2、3、4和5时P204分别萃取镧铈的分配比和分离系数。超声波作用下镧和铈的分配比随着pH的增加而升高，并且超声波作用下镧和铈的分配比均大于无超声波作用。

其原因在于超声波对饱和萃取率的影响相同，由于超声波的空化作用使得P204二聚体中的氢键部分断裂，因此有更多单体的P204能够与稀土离子发生萃取反应，所以超声波作用下镧和铈的分配比均大于无超声波作用。镧铈的分离系数随酸度的升高而增大，并且镧铈的分离系数均大于无超声波作用。

以上结果表明：当超声波强度为20W／c㎡、频率为30kHz、 料液pH为5时，镧铈的分配比、饱和萃取容量和元素间的分离系数达到最大，镧铈的分离系数最大为4.63。

通过红外光谱检测可知，由于超声波的作用使得萃取剂P204二聚体中的氢键部分断裂，因此在萃取时有更多的单体P204能够与稀土离子发生萃取反应，所以超声波作用下镧铈的饱和萃取容量和分配比均大于无超声波作用。

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