基于离子液体的双水相萃取以及电沉积回收钯的研究

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铂族金属钯价值高昂,应用广泛,但我国钯资源极度稀缺,因此从二次资源中回收钯具有重要的意义。金属回收工艺一般包括富集和提取两个步骤。最常用的富集方法为萃取法,但传统萃取法使用的挥发性有机溶剂已经成为中国当前所面临的主要空气污染问题之一。因挥发性极低而有“绿色溶剂”之称的离子液体与无机盐可形成双水相体系,用于萃取,具有环境友好、效率高、易分离等优点,但目前尚未有关于离子液体双水相体系(ionic liquid based aqueous biphasic systems,IL-ABS)用于萃取钯的报道。此外,由于离子液体优良的导电性,萃取后得到的钯富集液可直接进行电沉积,以获得单质钯。本文研究了不同结构的离子液体与磷酸钾形成的双水相体系对钯离子的萃取率,探讨了离子液体结构对成相能力和萃取能力的影响,以及不同离子液体萃取钯的机理,并对共存离子溶液进行萃取,通过研究体系的萃取效果和选择性,探讨了IL-ABS用于回收工艺的可行性。最后,采用电化学法对富集液中的钯进行提取,以获得单质钯,最终形成完整的钯回收工艺。主要研究结果如下:(1)阳离子相同,阴离子为Cl-和Br-的离子液体的成相能力无统计学差异。阳离子上烷基支链越长,离子液体的成相能力也越强,引入亲水性官能团会降低成相能力。8种离子液体成相能力顺序为[C3SO3mim][Cl]<[C3CNmim][Cl]<[C3NH2mim][Br]<[C2OC1mim][Br]<[C3mim][Br]≈[C3mim][Cl]<[C4mim][Cl]<[C6mim][Cl]。8种离子液体与磷酸钾形成的IL-ABS对钯离子的萃取率在50.13%100%之间,功能化离子液体一般高于常规离子液体的萃取率。含有磺酸基和腈基的离子液体对钯的萃取率最高,分别为96.32%和100%。常规离子液体对钯离子的萃取率随着烷基支链的增长而降低,其中[C3mim][Cl]对钯的萃取率最高,为65.74%。随着离子液体浓度和磷酸钾浓度在一定范围内提高,离子液体的萃取率也随之提高。(2)常规离子液体在对钯离子进行萃取时,主要发生的机理是配位取代机理和阴离子交换机理,阳离子咪唑环上C(2)原子失去一个活性氢原子,然后与钯离子发生作用力,形成的配合物进入富离子液体相中。功能化离子液体在萃取钯离子时,与常规离子液体一样,阳离子中的咪唑环C(2)上的氢原子失去,与钯离子发生配位作用。此外,腈基、磺酸基等官能团也可以与钯离子发生配位作用,在增强配位能力的同时,也提高了离子液体的配位容量。(3)为模拟实际应用的条件,对含多种共存金属离子的钯溶液进行萃取。共存金属离子不同时,对钯离子萃取率的影响也不同。30 mg/L150 mg/L锌离子和铁离子不会影响对钯离子的萃取率,萃取率始终保持在100%。铜离子浓度超过90 mg/L,镍离子超过120 mg/L时对钯离子的选择性普遍较差,其中功能化离子液体[C3CNmim][Cl]的选择性最好,对每一种金属离子的选择性系数均最大。(4)离子液体的电化学窗口为2 V,钯离子在离子液体相中的还原电位为-0.53 V。恒电压电沉积过程中,钯的沉积速率和沉积电流随时间增长逐渐下降,最终的沉积率为67.72%。表征结果显示,电沉积物为纳米级微粒,主要的组成成分为氧化钯,经过煅烧可获得单质钯,完成了从溶液中回收金属钯的完整工艺。本研究利用“绿色溶剂”—离子液体实现了溶液中金属钯的高效富集,并利用其优良的导电性,将钯离子从离子液体相中电沉积出来,形成了一套从溶液中回收金属钯的完整工艺,为实现清洁高效地回收二次资源中的铂族金属、促进资源循环利用和绿色化学的实现提供基础数据和更多的研究思路。
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