CN110787641A - 一种铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法，是以一种高通量的聚合物包容液膜通过外电场强化传质来实现。本发明提供的高通量聚合物包容液膜由载体、助萃剂、基础聚合物和有机溶剂共混溶解后形成的均相溶液，挥发去除溶剂后固化而成。并以此聚合物包容液膜，在外电场强化下将铷、钾、钠等离子从其多种离子的混合溶液中进行快速的选择性传质，从而实现对铷/钾/钠快速分离和提取的一种方法。该方法制膜工艺简单、原料价格低廉，膜产品成本低。在对水溶液中铷和钾、钠离子的选择性提取、分离和富集过程，萃取和反萃同步，传质速率快，渗透系数和通量高，分离过程能耗低，无二次污染，且对铷和钾与钠之间具有一定的分离选择性。

Description

一种铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法
技术领域
本发明属于化工分离技术领域，涉及几种碱金属的选择性提取、分离和富集技术。本发明可适用于锂云母提锂残液、海水、卤水等矿石或液态资源中，铷/钾/钠的选择性提取和分离应用。
背景技术
碱金属铷、钠、钾、锂等在工业生产中用途广泛，是重要的资源型产品。如碱金属铷具有导热和导电性能、低温超导性及良好的光化学活性，在新能源、航空航天技术和国防工业等领域应用广泛。卤水、海水、锂云母石等资源中含有的碱金属资源虽然较为丰富，但分离提取困难，如矿石铷资源取须经过磨碎—浮选—酸浸—提锂等工序后，保持残液中的铷浓度达到1g/L以上时，才能通过分步结晶法、沉淀法实现其分离目的。已探明的有近1000万吨的铷与性质相近的高浓度钾、钠或锂共存在于盐湖、海水中，且铷的含量极低，通常<100mg/L，与共存的钠、钾、锂等碱金属离子相比，铷的各种盐类的溶解性更高，因此，分步结晶或沉淀法并不能适用于铷与性质相近的碱金属离子的分离。吸附、萃取、离子交换等方法适用于低浓度物质提取和分离，文献(Liu S M,Liu H H,Huang Y J,et al.Solventextraction of rubidium and cesium from salt lake brine with t-BAMBP–kerosenesolution[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2015,25(1):329-334.)等提出了1M的4-叔丁基-2-(α-甲苄基)酚(t-BAMBP)为有机相，对含20mg/LRb+、2g/LK+的水相(pH>13的NaOH调节)进行萃取，以0.1MHCl为反萃相的五级萃取提铷工艺，铷的回收率大于95％；但BAMBP和t-BAMBP等酚类有机物的合成环境污染大，成本高，且酚类物质性质活泼，操作过程中易氧化变质。MOHITE(Mohite B S,Khopkar S M.Solventextraction separation of rubidium with dicyclohexano-18-crown-6.[J].Talanta,1985,32(7):565-567.)等以冠醚如DC18C6、15-C-5、18-C6、DBC18C6为萃取剂，二氯甲烷为稀释剂，在水相pH 3.0-7.0时对铷进行萃取，发现DC18C6的萃取率为98％以上，对铷具有较好的萃取性能。但液液萃取过程繁琐、有机试剂投加量大，负载了铷的有机相需在强酸(如2MHNO3)下反萃，由此产生的环境污染等问题均不能忽视。
聚合物包容液膜(Ploymer inclusion membranes,PIMs)是一种较为稳定的液膜分离形式，与萃取法及传统支撑液膜相比，PIMs在萃取分离过程中几乎无萃取剂损失，且萃取剂用量少，这拓展了以往仅限于萃取有价物质的昂贵萃取剂(如冠醚等)的使用范围，也降低了对环境的污染。但聚合物包容膜传质速率较慢，在工业化应用中也有较大的瓶颈。而电膜萃取技术却能有效提高PIM的传质效率。但截止目前，尚未报道过有关碱金属尤其是铷在PIM中的电膜萃取传质研究，也尚未有关对铷、钾、钠等的选择性分离的专利或文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法，该方法对铷和钾、钠离子的提取、分离，萃取和反萃同步，传质速率快，渗透系数和通量高，过程能耗低，无二次污染，对铷和钾与钠之间具有一定的分离选择性；所提供的膜产品及其分离技术，在涉及从海水、卤水提锂残液及锂云母提锂残液等高基质背景下，提取、回收贵金属铷等相关应用领域具有重要的意义。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法，包括以下步骤：
(1)制备高通量的铷/钾/钠萃取分离膜：
以质量比为1.5％～5.4％的载体、0.2％～0.5％的助萃剂、1.8％～4.1％的基础聚合物和90％～96.50％的有机溶剂共混形成均相溶液，室温下挥发去除溶剂并固化成外观平整的白色不透明且柔软的聚合物包容液膜；
(2)搭建并安装膜萃取传质装置：
将聚合物包容液膜固定并密封在两个液池中间的两片中空夹板中，将液膜两侧的夹板分别与两个液池密闭连接，并确保两侧液池的物料传递只能通过夹板中空部分的膜有效面积进行；在两个液池中分别注入含铷、钾、钠的料液相和解析相，
(3)铷和钾、钠的电膜萃取和分离：
在步骤(2)的两个液池中分别各安置一根与外接直流电源相连的铂电极，将料液池中的铂电极接直流电源的阳极，解析相池中的铂电极接直流电源的阴极；传质时，打开直流电源开关，选择合适的电压，开动搅拌装置，在电场强化下进行铷、钾和钠的选择性传质和富集。
优选的，所述载体为正辛醇或月桂醇。
优选的，所述助萃剂为大环冠醚类如二环己基碳18冠6，二苯并碳18冠6等。
优选的，所述基础聚合物为分子量为15-25万的聚氯乙烯或分子量为35-50万之间的聚偏二氟乙烯。
优选的，所述有机溶剂为四氢呋喃，二甲基甲酰胺或二种溶剂的混合溶剂，将上述物质溶解并持续搅拌12～24h后的均相溶液，置于平底玻璃容器中加盖，室温下挥发至恒重。
优选的，含铷、钾、钠的料液相条件为不含氯离子的铷、钾和钠的硝酸盐溶液，并保持pH在6～8的中性条件；解析相的溶液环境为稀酸、稀碱溶液或中性去离子水；所述稀酸为pH为6的硝酸或硫酸溶液。
优选的，步骤(3)中，铷和钠的电膜萃取分离时，直流电源电压为30～150V；两池中同步搅拌速度相同且不低于300转/分。
优选的，步骤(3)中，当电流密度超过0.5A或电解现象产生的气泡严重时，需停止传质，更换新的聚合物包容液膜。
优选的，料液相中铷的渗透系数保持在28.9～115.93μm/s；铷与钾、钠的相对选择性SRb/K、SRb/Na分别为1.1～2.18和2.2～3.89。
本发明实施上述技术方案的优点与创新之处在于：
1.本发明提出的通过协萃剂冠醚改性的聚合物包容液膜，膜产品制备工艺简单，操作条件温和，载体和协萃剂的用量少，膜产品成本低，具有一定的稳定性，可以重复利用。
2.本发明提出对铷、钾、钠的电膜萃取分离方法，与常规的通过蒸发、结晶、萃取等方法进行碱金属的分离技术相比，本发明提供的产品及分离技术，能耗低，设备需求低，工艺简单，易于推广扩大。
3.本发明通过聚合物包容液膜在电场协同作用下，对铷、钾、钠的传质技术，不需要强酸或强碱溶液进行反萃，传质速率快，能迅速将铷、钾、钠等离子迅速从料液中提取出来，进行进一步加工和生产，符合绿色环保的工业技术要求。
4.本发明通过在电场强化下进行铷、钾和钠的选择性传质与分离，相对于钾和钠，铷的传质渗透系数和通量高，有超过其它两种金属离子2倍以上的富集倍数，为铷的选择性提取提供了条件。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明提供了一种利用高通量的聚合物包容液膜对铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法，包括如下步骤：
步骤(1)：制备高通量的聚合物包容液膜：
按照质量比将1.5％～5.4％的载体正辛醇或月桂醇，与0.2％～0.5％的助萃剂冠醚(二环己基18冠醚6或碳18冠6)、1.8％～4.1％基础聚合物共混(分子量为15-25万的聚氯乙烯或35～50万的聚偏二氟乙烯)，溶解于90％～96.50％的四氢呋喃，或四氢呋喃与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液中。溶解并持续搅拌12～24h成均相混合溶液，将溶液置于平底玻璃容器中保持2～3mm厚度，加盖室温下挥发去除溶剂至恒重，固化成外观平整的白色不透明且柔软的聚合物包容液膜；
步骤(2)：搭建并安装聚合物包容液膜传质装置：
将聚合物包容液膜固定并密封在两个液池中间的两片中空夹板中，将膜两侧的夹板分别与两个液池密闭连接，确保液池中的溶液只能通过平板中空处的聚合物包容液膜有效面积部分通过。在两个液池中分别注入含铷、钾、钠的料液相和解析相，铷、钾、钠的料液相条件为不含氯离子的铷、钾和钠的硝酸盐溶液，并保持pH在中性6～8；解析相的溶液环境为pH为6～7的稀酸溶液或中性去离子水。所用的酸为硝酸或硫酸溶液。
两个液池中分别各安置一根与外接直流电源相连的铂电极，将料液池中的铂电极接直流电源的阳极，解析相池中的铂电极接直流电流的阴极；两池中分别安装磁力或电动搅拌器，搭建并组装电膜萃取装置。
步骤(3)：铷和钾、钠的萃取与分离：
打开直流电源开关，选择直流电源电压为30～150V；开动搅拌装置，两池中同步搅拌速度相同且不低于300转/分，以确保两溶液扩散速率相同，通过电场强化聚合物包容液膜进行铷和钾的选择性传质。
传质过程中两侧溶液中铷、钾和钠离子的浓度通过定时取样后用电感耦合等离子发射仪(ICP-OES)检测。同时要注意观察两相溶液中的电解现象和电流密度，当电流密度超过0.5A或电解现象产生的气泡严重时，需停止传质，更换新的聚合物包容液膜。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明。
实施例1：将1.8％的PVC，95.2％的四氢呋喃和0.50％的助萃剂DC18C6及2.5％的载体正辛醇混合后，在室温下搅拌12h，至完全溶解，倒入玻璃培养皿并用保鲜膜覆盖，水平静置。在30℃下挥发至透明状，用少量水浸泡取出。用螺旋测微计测定其厚度为150μm。将正辛醇/冠醚/PVC膜密封安装在两个中空板中，并用其安装在两个体积为100mL的渗透池的中间部分，确保两池中物料只能通过冠醚聚合物膜进行传递。膜有效分离面积为3.14cm2，料液相和解析相溶液分别为100mL的溶液。在一侧池中引入含铷、钾、钠离子各为30mg/L的硝酸盐溶液为料液，保持pH为7；另一侧池中引入中性去离子水为解析相，保持两液面相平并高于聚合物包容液膜的最高点。将料液池铂电极与外接直流电源的正极相接，解析池中的铂电极与外接直流电源的负极相接。打开直流电源开关并选择电压为150V，开动两池中搅拌装置，两相转子转速为400r/min，在30℃下进行分离实验。传质过程中，每间隔1h分别在料液相和解析相溶液中取样0.5mL，并在两相中补加去离子水0.5mL。用电感耦合等离子体发射光谱仪检测传质过程中两相Rb(I)的浓度。6h传质结束后，料液相中的铷、钾、钠离子浓度分别为1.5、1.6、8.9mg/L。铷的渗透系数为115.93um/s。铷与钾、钠的相对选择性SRb/K、SRb/Na分别为2.18和3.89。
实施例2：将1.9％的PVC，95.25％的四氢呋喃和0.25％的助萃剂DC18C6及2.6％的载体月桂醇混合后，在室温下搅拌24h，至完全溶解，倒入玻璃培养皿并用保鲜膜覆盖，水平静置。在30℃下挥发至透明状，用少量水浸泡取出。用螺旋测微计测定其厚度为150μm。将月桂醇/冠醚/PVC膜密封安装在两个中空板中，并用其安装在两个体积为100mL的渗透池的中间部分，确保两池中物料只能通过聚合物包容液膜进行传递。膜有效分离面积为3.14cm2，料液相和解析相溶液分别为100mL的溶液。在一侧池中引入含铷、钾、钠离子各为30mg/L的硝酸盐溶液为料液，保持pH为8；另一侧池中引入pH6的稀硝酸为解析相，保持两液面相平并高于聚合物包容液膜的最高点。将料液池铂电极与外接直流电源的正极相接，解析池中的铂电极与外接直流电源的负极相接。打开直流电源开关，操作电压为150V，其它膜制备条件及传质条件未变，最终经8h传质结束后，料液相中的铷、钾、钠离子浓度分别为1.3、1.8、3.9mg/L。铷的渗透系数为90.39um/s。铷与钾、钠的相对选择性SRb/K、SRb/Na分别为1.31和2.59。
实施例3：将4.1％的聚偏二氟乙烯，60％的四氢呋喃和30％的N,N-二甲基甲酰胺，0.5％的助萃剂DC18C6及5.4％的载体正辛醇混合，经溶解、挥发固化成膜后，测得膜厚度200μm。将膜密封安装于渗透装置中，在一侧池中引入含铷、钾、钠离子各为30mg/L的硝酸盐溶液为料液，保持pH为6；另一侧池中引入解析相为pH6的稀硝酸溶液。两侧溶液体积均为100mL，保持两液面相平并高于聚合物包容液膜最高点。将料液池铂电极与外接直流电源的正极相接，解析池中的铂电极与外接直流电源的负极相接。打开直流电源开关并选择电压为100V，开动两池中搅拌装置，搅拌速度相同均为300转/分，8h传质结束后，料液相中的铷、钾、钠离子浓度分别为1.3、1.5、2.9mg/L。铷的渗透系数为68.9um/s。铷与钾、钠的相对选择性SRb/K、SRb/Na分别为1.1和2.2。
实施例4：将1.8％的PVC，96.5％的四氢呋喃和0.20％的助萃剂DC18C6及1.5％的载体月桂醇混合后，在室温下搅拌24h，至完全溶解，倒入玻璃培养皿并用保鲜膜覆盖，水平静置。在30℃下挥发至透明状，用少量水浸泡取出。用螺旋测微计测定其厚度为150μm。将月桂醇/冠醚/PVC膜密封安装在两个中空板中，并用其安装在两个体积为100mL的渗透池的中间部分，确保两池中物料只能通过聚合物包容液膜进行传递。膜有效分离面积为3.14cm2，料液相和解析相溶液分别为100mL的溶液。在一侧池中引入含铷、钾、钠离子各为30mg/L的硝酸盐溶液为料液，保持pH为8；另一侧池中引入pH6的稀硝酸为解析相，保持两液面相平并高于聚合物包容液膜最高点。将料液池铂电极与外接直流电源的正极相接，解析池中的铂电极与外接直流电源的负极相接。在料液池中安装上出下进的循环进样口，并与外接料液罐通过循环泵相接，两侧液池体积保持100mL不变，料液罐+液池中的料液总体积为1000mL，打开直流电源开关并选择电压为70V，开动两池中搅拌装置，传质过程中，通过循环泵持续将料液泵入和泵出料液池，以保证料液总体物料相同，循环传质130h传质结束，料液池中铷、钾、钠浓度分别为4.3、18.7、22.5mg/L，解析相中的铷、钾、钠浓度分别为257.3、110.1、79.5mg/L。铷、钾、钠的富集倍数分别为8.57、3.77、2.35，SRb/K、SRb/Na分别为1.1和2.2。
相对于钾和钠，铷有超过其它两种金属离子2倍以上更高的富集倍数，铷的渗透系数高达115.93um/s，且不低于68.9um/s，为铷的提取提供了条件。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备高通量的聚合物包容液膜：
将质量比为1.5％～5.4％的载体、0.2％～0.5％的助萃剂、1.8％～4.1％的基础聚合物和90％～96.50％的有机溶剂共混形成均相溶液，挥发去除溶剂后固化成外观平整的白色不透明且柔软的聚合物包容液膜；
(2)安装电膜萃取传质装置：
将聚合物包容液膜固定并密封在两片中空夹板中，将液膜两侧的夹板分别与两个液池密闭连接，并确保两侧液池的物料只能通过夹板中空部分的膜有效面积进行传递；在两个液池中分别注入含铷、钾、钠的料液相和解析相；
(3)铷/钾/钠离子的电膜萃取与分离：
在步骤(2)所述的两个液池中分别各安置一根与外接直流电源相连的铂电极，将料液池中的铂电极接直流电源的阳极，解析相池中的铂电极接直流电流的阴极；传质时，设定电压，搅拌，在电场强化下进行铷、钾和钠的选择性传质与分离。
2.根据权利要求1所述的一种铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法，其特征在于，所述载体为正辛醇或十二醇。
3.根据权利要求1所述的一种铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法，其特征在于，所述助萃剂为二环己基18冠醚6(DB18C6)或二苯并18冠6。
4.根据权利要求1所述的一种铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法，其特征在于，所述基础聚合物为分子量为15-25万的聚氯乙烯或35～50万的聚偏二氟乙烯。
5.根据权利要求1所述的一种铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法，其特征在于，所述有机溶剂为四氢呋喃或N,N-二甲基甲酰胺或二者的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法，其特征在于，所述的溶解过程是将上述物质混合并持续搅拌12～24h成为均相澄清的混合溶液；所述挥发固化过程是将均相混合溶液于平底玻璃容器中加盖，室温下挥发至恒重。
7.根据权利要求1所述的一种铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法，其特征在于，含铷、钾、钠的料液相为不含氯离子的铷、钾和钠的硝酸盐溶液，并保持pH为6～8；解析相的溶液为稀酸、稀碱溶液或中性去离子水；所述稀酸为pH为6的硝酸或硫酸溶液。
8.根据权利要求1所述的一种铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法，其特征在于，步骤(3)中，铷和钠的电膜萃取分离时，直流电源电压为30～150V；两池中同步搅拌速度相同且不低于300转/分。
9.根据权利要求1所述的一种铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法，其特征在于，步骤(3)中，当电流密度超过0.5A或因电解产生的气泡较多且严重影响传质时，需停止传质，更换新的聚合物包容液膜。
10.根据权利要求1所述的一种铷/钾/钠离子的快速分离和提取方法，其特征在于，料液相中铷的渗透系数保持在28.9～115.93μm/s；铷与钾、钠的相对选择性SRb/K、SRb/Na分别为1.1～2.18和2.2～3.89。
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