CN109055743B - 一种萃取组合物及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种萃取组合物及其应用。所述的组合物包括如式(I)所示的化合物和改质剂;所述的如式(I)所示的化合物与所述的改质剂的摩尔比为1:0.2~1:6。当所述的组合物含有稀释剂时,所述的应用优选包括如下步骤:将所述的组合物,与pH值>10的含有锂离子的水相萃取,得到负载锂离子的有机相即可。本发明如式(I)所示的化合物的合成方法简便且成本低,具有油溶性优异、水溶性低特点。本发明提供的锂萃取的组合物和稀释剂具有油溶性好、水溶性低、易分相、有机相中锂的负载量大等优点,具有优异的锂钠、锂钾分离效果,能够从复杂的碱金属混合溶液中,高选择性的萃取分离锂离子。
Description
技术领域
本发明属于化工领域。具体地,本发明涉及一种萃取组合物及其应用。
背景技术
锂元素具有最小的原子半径,是目前已知的最轻的金属,具有与许多其他金属元素不同的化学和物理性质,因此具有广泛的用途。锂及其化合物的应用涉及玻璃、陶瓷、医药、冶炼、制冷等多个领域。特别是在新能源领域,锂被誉为“能源元素”,锂元素作为锂电池的重要原料,全球需求量正以每年8~10%的速度快速增加。因此,对锂资源的综合开发利用、特别是采用萃取的方法生产与回收锂具有十分重要的社会效益和经济效益。
目前,国内外的锂资源主要来自锂矿和盐湖卤水锂资源。从盐湖卤水中提取锂盐的工艺技术方法,主要有沉淀法、溶剂萃取法、离子交换吸附法、碳化法、煅烧浸取法、电渗析法等。溶剂萃取法是从溶液中(如含锂卤水、含锂废液、沉锂母液等)分离提取锂的高效技术,它具有工艺和设备简单、操作连续化、易于实现自动控制等优点。在已有的报道中,常见的锂萃取的体系有:(1)磷酸三丁酯TBP-三氯化铁萃取体系;(2)双酮类噻吩甲酰三氟丙酮TTA、苯甲酰丙酮HBA等萃取体系;(3)吡唑酮类螯合类HPMBP-TBP体系;(4)冠状化合物15冠5等体系;(5)中性酰胺类N-503萃取体系。但是已有的这些萃锂体系还存在一些问题,包括萃取效率低、锂离子选择性不高;两相密度差小,难分相;反萃酸度过大,试剂消耗量大;有机相锂的负载量过小;萃取剂水溶性大,损耗多;设备腐蚀严重等。
发明内容
本发明实际解决的技术问题是克服了从含锂溶液中萃取锂的现有方法中存在锂离子萃取效率低,特别是选择性不高的缺陷,提供了一种萃取组合物及其应用。本发明的萃取组合物与水相锂离子通过萃取、反萃操作,能够实现锂离子的高效率、特别是高选择性萃取,具有较高经济性和实用性。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题。
本发明提供了一种萃取组合物,其包括如式(I)所示的化合物和改质剂;所述的如式(I)所示的化合物与所述的改质剂的摩尔比为1:0.2~1:6;
其中,R1为未取代或R1-1取代的C1-6烷基(所述的R1-1的个数可为一个或多个,当存在多个R1-1时,所述的R1-1相同或不同;所述的“C1~C6烷基”优选为C1-4烷基,例如,甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基或叔丁基,更优选为正丁基)、未取代或R1-2取代的吡啶基(所述的R1-2的个数可为一个或多个,当存在多个R1-2时,所述的R1-2相同或不同;所述的吡啶基优选为)、未取代或R1-3取代的呋喃基(所述的R1-3的个数可为一个或多个,当存在多个R1-3时,所述的R1-3相同或不同;所述的呋喃基优选为)、未取代或R1-4取代的噻唑基(所述的R1-4的个数可为一个或多个,当存在多个R1-4时,所述的R1-4相同或不同;所述的噻唑基优选为)、或者、未取代或R1-5取代的苯基(所述的R1-5的个数可为一个或多个,当存在多个R1-5时,所述的R1-5相同或不同);R1-1、R1-2、R1-3、R1-4和R1-5独立地为C1-6烷基(优选为C1-4烷基,例如,甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基或叔丁基)、C1-6烷氧基(优选为C1-4烷氧基,例如,甲氧基、乙氧基、正丙氧基、异丙氧基、正丁氧基、仲丁氧基或叔丁氧基)、卤素(例如,氟、氯、溴或碘,又例如氟)、或者、卤素取代的C1-6烷基(例如,三氟甲基);
R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9和R10独立地为氢、卤素(例如,氟、氯、溴或碘,又例如氟)、{其中Ra和Rb独立地为H或C1-4的烷基(例如,甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基或叔丁基),Ra和Rb可以相同或不同}、硝基、C1-6烷基(优选为C1-4烷基,例如,甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基或叔丁基)或C1-6烷氧基(优选为C1-4烷氧基,例如,甲氧基、乙氧基、正丙氧基、异丙氧基、正丁氧基、仲丁氧基或叔丁氧基);
所述的改质剂为烷基锍盐和/或季铵盐。
所述的烷基锍盐的阴离子可为本领域烷基锍盐常规的阴离子,优选为卤离子(例如,氟离子、氯离子、溴离子或碘离子,又例如氟离子)。
所述的季铵盐的阳离子优选为Re、Rf和Rg独立地为C1-4烷基(例如,甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基或叔丁基)、苄基、苯基或C8-18烷基(优选C8-12正烷基,例如,正辛基、正壬基、正癸基、正十一烷基或正十二烷基)。
所述的季铵盐的阴离子可为本领域季铵盐常规的阴离子,优选为卤离子(例如,氟离子、氯离子、溴离子或碘离子,又例如氯离子或溴离子)或硫酸根离子。
所述的烷基锍盐优选为氯化二辛基甲基锍盐和/或氯化二壬基甲基锍盐。
所述的季铵盐可为烷基季铵盐,较佳地,所述的季铵盐为溴化双十烷基二甲基铵、氯化二甲基苄基苯基铵、三辛基甲基硫酸铵、氯化十二烷基二甲基苄基铵、氯化三辛基甲基铵、氯化三壬基甲基铵、氯化三癸基甲基铵二甲基二(N-十八烷基)氯化铵和三辛基甲基硫酸铵中的一种或多种。
所述的R1优选为吡啶基、噻唑基、C1-6烷基、取代或未取代的苯基。所述的取代的苯基中的取代基的位置可为邻位、间位和对位的一个或多个。
所述的R2优选为氢。
所述的R3优选为氢。
所述的R4优选为氢或C1-6烷基。
所述的R5优选为氢。
所述的R6优选为氢或C1-6烷基。
所述的R7优选为氢
所述的R8优选为氢或C1-6烷基。
所述的R9优选为氢。
所述的R10优选为氢或C1-6烷基。
在一些优选方案中,R1为苯基,R2、R3、R5、R6、R7、R8、R9均为氢,R4和R10为C1-6烷基。所述的C1-6烷基优选为甲基。
在一些优选方案中,R1为噻唑基或C1-6烷基,R2、R3、R5、R7、R9均为氢或甲基,R4、R6、R8和R10为C1-6烷基。所述的C1-6烷基优选为甲基。所述的噻唑基优选为所述的C1-6烷基优选为正丁基。
较佳地,所述的如式(I)所示的化合物为如下任一化合物:
所述的如式(I)所示的化合物与所述的改质剂的摩尔比优选为1:0.4~1:2,例如,1:0.4~1:1.2,1:0.5~1:1,1:1~1:1.5,1:1.2~1:2.0或1:0.8~1:1.2。
进一步地,所述的组合物还可包括稀释剂。所述的稀释剂可为本领域的常规稀释剂,优选为煤油、庚烷、辛烷、环己烷、正己烷、戊醇、辛酮、十二烷、氯仿、石油醚、四氯化碳、甲苯、二甲苯、二乙苯、溴苯、苯甲醚、硝基甲烷、2-甲基环己酮、甲基异丁酮、氯苯、二氯苯、三氯苯和二苯醚中的一种或多种。所述的煤油优选为磺化煤油。
所述的如式(I)所示的化合物与稀释剂的摩尔体积比可为本领域常规的摩尔体积比,优选为0.10mol/L~2.5mol/L,例如,0.60mol/L、0.80mol/L、1.00mol/L、1.50mol/L或1.80mol/L。
所述的改质剂在有机相体系中的浓度优选为0.10mol/L~3.5mol/L,例如,0.60mol/L或0.80mol/L。
所述的萃取组合物优选锂萃取组合物。
本发明还提供了一种如前所述的萃取组合物在萃取方面的应用。所述的萃取优选锂萃取。
当所述的组合物含有稀释剂时,所述的应用可包括下属步骤:将所述的组合物,与pH值>10的含有锂离子的水相相萃取,得到负载锂离子的有机相即可。
所述的水相,可以为锂生产加工企业沉锂母液,或者企业的生产过程中含锂废水。一般情况下,这些含锂水相含有较多的杂质离子,如钠离子、钾离子、铁离子和钙离子中的一种或多种。
较佳地,所述的含有锂离子的水相中含有的钠离子的浓度范围为0.01mol/L~3.5mol/L。
较佳地,所述的含有锂离子的水相中含有的钾离子的浓度范围为0.01mol/L~3.5mol/L。
所述的pH值>10优选pH值为12-14,例如,pH值为12-13或pH值为13-14。所述的pH值>10的含有锂离子的水相可通过添加碱金属的氢氧化物或氨水等进行调节。所述的碱金属的氢氧化物优选为氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化锂中的一种或多种。
所述的含有锂离子的水相中锂离子的浓度范围优选为0.001mol/L~2.5mol/L,更优选为0.05mol/L~0.38mol/L,例如,0.05mol/L、0.20mol/L、0.15mol/L、0.31mol/L或0.38mol/L。
所述的萃取的接触的方式可为溶剂萃取领域常规的接触方式,例如逆流接触。
所述的应用还可进一步包括反萃,所述的反萃方法为此类操作的常规反萃方法,优选包括以下步骤:将反萃剂一次性或分次,与所述的负载锂离子的有机相混合并萃取,平衡,得到负载锂离子的水溶液和空白有机相即可;所述的反萃剂为酸的水溶液。
在所述的反萃中,所述的酸可为本领域常规的酸,较佳地为无机酸。所述的无机酸可为本领域常规的无机酸,较佳地为盐酸、硫酸和硝酸中的一种或多种。
在所述的反萃中,所述的酸的水溶液中,H+的浓度可为本领域常规的H+的浓度,较佳地为0.1mol/L-10.0mol/L,例如2.0mol/L、4.0mol/L。
在所述的反萃中,所述的萃取、平衡的温度可为本领域常规的温度,较佳地为10℃-40℃。
在所述的反萃中,所述的空白有机相可用于步骤(1),也即循环使用。
在不违背本领域常识的基础上,上述各优选条件,可任意组合,即得本发明各较佳实例。
本发明所用萃取剂的制备参考文献Journal of Chemical Research-Part S,1997,5,p166–167,其它试剂和原料均市售可得。
本发明的主要优点包括:
(1)本发明用于锂萃取的化合物的合成方法简便且成本低,具有油溶性优异、水溶性低特点;本发明的改质剂的具有极性大、易溶于有机相的特点,能够提高萃取剂以及锂萃取络合物的溶解性;另一方面,改质剂具有相转移能力,能够促进锂离子从水相转移进入有机相,因而大大提高了锂离子的萃取率。
(2)本发明提供的锂萃取的有机相体系具有油溶性好、水溶性低、易分相、有机相中锂的负载量大等优点。
(3)同时有机相体系实现循环、回收使用。
(4)本发明的有机相体系具有优异的锂钠、锂钾分离效果,能够从复杂的碱金属混合溶液中,高选择性的萃取分离锂离子。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件,或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明,否则百分比和份数按重量计算。
实施例1
萃取方法:含锂水相加入一定量的NaOH,调节pH值=13~14,有机相体系与水相按照相比1:1,充分接触单级萃取。分相后,用2mol/L的盐酸作为反萃液,反萃后有机相体系回收循环,并得到反萃锂产品,锂的单级萃取率为88%。
实施例2
萃取方法:萃取有机相体系与水相按照相比1:1,充分接触单级萃取,静置分相。所得有机相,用2mol/L的硫酸作为反萃液,反萃后有机相体系回收循环,并得到反萃锂产品,锂的单级萃取率为75%。
实施例3
配制萃取有机相体系,萃取剂:0.80mol/L改质剂:0.80mol/L三辛基甲基硫酸铵;稀释剂:2-辛酮。含锂水相中锂离子浓度0.15mol/L,钠离子浓度0.25mol/L,钾离子浓度0.32mol/L。该实施例中的含锂水相是根据工业废水组成,配制的模拟水相。
萃取方法:含锂水相中加入一定量的氨水,调节pH值=12~13,萃取有机相体系与水相按照相比1:1,充分接触单级萃取,静置分相。所得有机相,用2mol/L的盐酸作为反萃液,反萃后有机相体系回收循环,并得到反萃锂产品,同时测定反萃液中钠、钾离子浓度。实验结果表明,该萃取有机相体系锂的单级萃取率为72%。该有机相体系还具有优异的锂钠、锂钾分离效果,锂钠分离系数β=2.4×103,锂钾分离系数β=3.6×103。因此,当有其他碱金属离子与锂离子共存时,该有机相体系能够从复杂的碱金属混合溶液中,高选择性的萃取分离锂离子。
实施例4
配制萃取有机相体系,萃取剂:1.0mol/L改质剂:1.5mol/L氯化二甲基苄基苯基铵;稀释剂:氯仿。含锂水相中锂离子浓度0.15mol/L,钠离子浓度0.25mol/L,钾离子浓度0.32mol/L。
萃取方法:含锂水相中加入一定量的氨水,调节pH值=12~13,萃取有机相体系与水相按照相比1:1,充分接触单级萃取,静置分相。所得有机相,用2mol/L的盐酸作为反萃液,反萃后有机相体系回收循环,并得到反萃锂产品,同时测定反萃液中钠、钾离子浓度。实验结果表明,该萃取有机相体系锂的单级萃取率为78%。该有机相体系还具有优异的锂钠、锂钾分离效果,锂钠分离系数β=3.5×103,锂钾分离系数β=4.1×103。因此,当有其他碱金属离子与锂离子共存时,该萃取有机相体系能够从复杂的碱金属混合溶液中,高选择性的萃取分离锂离子。
实施例5
萃取方法:含锂水相加入一定量的KOH,调节pH值=13~14,萃取有机相体系与水相按照相比1:2,逆流4级串级萃取,所得有机相的锂负载量(锂浓度)为0.62mol/L。然后用4mol/L的盐酸作为反萃液,逆流3级反萃后得到锂产品,有机相体系回收循环使用。锂的萃取回收率>95%,纯度>98%。
实施例6
萃取方法:含锂水相加入一定量的NaOH,调节pH值=13~14,萃取有机相体系与水相按照相比1:2,逆流5级串级萃取,所得有机相的锂负载量(锂浓度)为0.76mol/L。然后用4mol/L的盐酸作为反萃液,逆流4级反萃后得到锂产品,有机相体系回收循环使用。锂的萃取回收率>97%,纯度>99%。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考,就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解,在阅读了本发明的上述讲授内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (22)
1.一种萃取组合物,其特征在于,其包括如式(I)所示的化合物和改质剂;所述的如式(I)所示的化合物与所述的改质剂的摩尔比为1:0.2~1:6;
其中,R1为未取代或R1-1取代的C1-6烷基、未取代或R1-2取代的吡啶基、未取代或R1-3取代的呋喃基、未取代或R1-4取代的噻唑基、或者、未取代或R1-5取代的苯基;R1-1、R1-2、R1-3、R1-4和R1-5独立地为C1-6烷基、C1-6烷氧基、卤素、或者、卤素取代的C1-6烷基;
所述的改质剂为烷基锍盐和/或季铵盐。
2.如权利要求1所述的萃取组合物,其特征在于,
所述的R1为吡啶基、噻唑基、C1-6烷基、取代或未取代的苯基;
和/或,所述的R2为氢;
和/或,所述的R3为氢;
和/或,所述的R4为氢或C1-6烷基;
和/或,所述的R5为氢;
和/或,所述的R6为氢或C1-6烷基;
和/或,所述的R7为氢;
和/或,所述的R8为氢或C1-6烷基;
和/或,所述的R9为氢;
和/或,所述的R10为氢或C1-6烷基。
3.如权利要求2所述的萃取组合物,其特征在于,
当R1为未取代或R1-1取代的C1-6烷基时,所述的C1~C6烷基为C1-4烷基;
和/或,当R1-1、R1-2、R1-3、R1-4和R1-5独立地为C1-6烷基时,所述的C1-6烷基为C1-4烷基;
和/或,当R1-1、R1-2、R1-3、R1-4和R1-5独立地为C1-6烷氧基时,所述的C1-6烷氧基为C1-4烷氧基;
和/或,当R1-1、R1-2、R1-3、R1-4和R1-5独立地为卤素时,所述的卤素为氟、氯、溴或碘;
和/或,当R1-1、R1-2、R1-3、R1-4和R1-5独立地为卤素取代的C1-6烷基时,所述的卤素取代的C1-6烷基为三氟甲基;
和/或,当R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9和R10独立地为卤素时,所述的卤素为氟、氯、溴或碘;
和/或,当R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9和R10独立地为C1-6烷基时,所述的C1-6烷基为C1-4烷基;
和/或,当R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9和R10独立地为C1-6烷氧基时,所述的C1-6烷氧基为C1-4烷氧基;
和/或,所述的烷基锍盐的阴离子为卤离子;
和/或,所述的季铵盐的阴离子为卤离子或硫酸根离子;
和/或,所述的如式(I)所示的化合物与所述的改质剂的摩尔比为1:0.5~1:2;
和/或,所述的萃取组合物为锂萃取组合物。
4.如权利要求3所述的萃取组合物,其特征在于,
当R1为未取代或R1-1取代的C1-6烷基时,所述的C1~C6烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基或叔丁基。
5.如权利要求3所述的萃取组合物,其特征在于,
当R1为未取代或R1-1取代的C1-6烷基时,所述的C1~C6烷基为正丁基。
10.如权利要求9所述的萃取组合物,其特征在于,
11.如权利要求9所述的萃取组合物,其特征在于,
12.如权利要求1所述的萃取组合物,其特征在于,所述的组合物还包括稀释剂。
13.如权利要求12所述的萃取组合物,其特征在于,所述的稀释剂为煤油、庚烷、辛烷、环己烷、正己烷、戊醇、辛酮、十二烷、氯仿、石油醚、四氯化碳、甲苯、二甲苯、二乙苯、溴苯、苯甲醚、硝基甲烷、2-甲基环己酮、甲基异丁酮、氯苯、二氯苯、三氯苯和二苯醚中的一种或多种。
14.如权利要求12或13所述的萃取组合物,其特征在于,所述的如式(I)所示的化合物与稀释剂的摩尔体积比为0.10mol/L~2.5mol/L。
15.一种如权利要求1-14任一项所述的萃取组合物在萃取方面的应用。
16.如权利要求15所述的应用,其特征在于,所述的萃取为锂萃取;
和/或,当所述的组合物含有稀释剂时,所述的应用包括下属步骤:将所述的组合物,与pH值>10的含有锂离子的水相相接触并萃取,得到负载锂离子的有机相即可。
17.如权利要求16所述的应用,其特征在于,所述的含有锂离子的水相中含有的钠离子的浓度范围为0.01mol/L~3.5mol/L;
和/或,所述的含有锂离子的水相中含有的钾离子的浓度范围为0.01mol/L~3.5mol/L;
和/或,所述的pH值>10为pH值为12-14;
和/或,所述的pH值>10的含有锂离子的含有锂离子的水相通过添加碱金属的氢氧化物或氨水进行调节;
和/或,所述的含有锂离子的水相中锂离子的浓度范围为0.001mol/L~2.5mol/L;
和/或,所述的萃取的接触的方式为逆流接触。
18.如权利要求17所述的应用,其特征在于,所述的pH值>10的含有锂离子的含有锂离子的水相通过添加碱金属的氢氧化物或氨水进行调节;所述的碱金属的氢氧化物为氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化锂中的一种或多种;
和/或,所述的含有锂离子的水相中锂离子的浓度范围为0.05mol/L~0.38mol/L。
19.如权利要求16-18任一项所述的应用,其特征在于,所述的应用还进一步包括反萃。
20.如权利要求19所述的应用,其特征在于,所述的反萃方法包括以下步骤:将反萃剂一次性或分次,与所述的负载锂离子的有机相混合并萃取,平衡,得到负载锂离子的水溶液和空白有机相即可;所述的反萃剂为酸的水溶液;
和/或,在所述的反萃中,所述的酸的水溶液中,H+的浓度为0.1mol/L-10.0mol/L。
21.如权利要求20所述的应用,其特征在于,所述的酸为无机酸。
22.如权利要求20所述的应用,其特征在于,所述的酸为盐酸、硫酸和硝酸中的一种或多种。
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