بررسي اثر هم افزايي استخراج كننده هاي D2EHPA و PC88A بر جداسازي ساماريوم و لوتتيم از محلول هاي حاوي اين دو عنصر

دكتراي تخصصي

عناصر خاكي نادر داراي كاربردهاي فراواني در فناوري‌هاي نوين مانند خودروهاي هيبريدي، دوربينهاي ديد در شب و توربينهاي بادي هستند. اين عناصر در طبيعت همواره در كنار يكديگر قرار دارند و جداسازي آنها از يكديگر مهمترين چالش توليد آنها محسوب مي‌شود. در اين رساله، استخراج و جداسازي عناصر خاكي نادر ساماريوم و لوتتيم از محلول اسيدي حاوي آنها با روش استخراج حلالي مورد تحقيق قرار گرفت. آزمايش‌ها به روش ناپيوسته و در مقياس آزمايشگاهي با استخراج كننده‌هاي اسيدي D2EHPA و PC88A و مخلوط آنها در دو محيط آبي اسيدي نيتريكي و سولفوريكي انجام شد. به منظور تعيين شرايط مناسب براي استخراج وجداسازي لوتتيم از ساماريوم از دياگرام پايداري ترسيم شده اين عناصر توسط نرم افزارMedusa بهره گرفته شد. با هدف دستيابي به حداكثر راندمان استخراج اين عناصر از محلول آبي نيتريكي پارامترهاي مؤثر مانند pH اوليه محلول آبي، زمان، غلظت استخراج كننده D2EHPA و PC88A رقيق شده در كروزن، براي عنصر ساماريوم به ترتيب برابر با 5/2، min 10، M 05/0 و M 4/0 و براي لوتتيم معادل 5/1، min 5، M 03/0 و M 05/0 بهينه شدند. بر اساس نتايج بدست آمده در اين مرحله مشخص شد كه تمايل به استخراج عنصر لوتتيم بسيار بيشتر از ساماريوم در همه سيستمها است. دليل اصلي اين موضوع مربوط به شعاع يوني كوچكتر لوتتيم در مقايسه با ساماريوم و در نتيجه آن، افزايش دانسيته بار الكتريكي اين عنصر است. علاوه بر اين، ضرايب استوكيومتري معادلات واكنش، ثابت‌هاي تعادل و توابع ترموديناميكي براي هر دو استخراج كننده و مخلوط آنها در استخراج اين فلزات از محيطهاي آبي اسيدي سولفوريكي و نيتريكي بدست آمدند. نتايج ترموديناميكي نشان داد كه اولويت سيستم‌هاي مختلف بررسي شده به منظور دستيابي به حداكثر راندمان استخراج فلزات ساماريوم و لوتتيم به ترتيب استفاده از استخراج كننده D2EHPA در محيط نيتريكي و استخراج كننده PC88A در محيط سولفوريكي بود. بنابراين قدرت استخراج كننده PC88A در مقايسه با D2EHPA كمتر بود كه دليل آن وجود پيوند اكسيژن اضافي در ساختار مولكولي D2EHPA تشخيص داده شد. همچنين در خصوص فاز آبي، محيط نيتريكي در مقايسه با سولفوريكي محلول آبي مناسب‌تري براي استخراج مشخص گرديد. بررسي فاكتور هم افزايي نشان داد كه مخلوط استخراج كننده‌ها موجب بهبود راندمان استخراج مخصوصاً در مورد عنصر ساماريوم، و بازپس‌گيري مؤثر فلزات به ويژه در مورد عنصر لوتتيم، در مقايسه با هر يك از استخراج كننده‌ها به صورت جداگانه شده است كه دليل آن تشكيل دايمرهاي يك به يك از دو استخراج كننده D2EHPA و PC88A بر اساس نتايج حاصل از FT-IR، در نسبت‌هاي مشخصي از آنهاست. با اين وجود بيشترين اثر هم افزايي در خصوص ساماريوم 71/5 بود كه در نسبت 2 به 3 استخراج كننده PC88A به D2EHPA ديده شد. در حاليكه بيشترين اثر هم افزايي در نسبت 1 به 4 اين دو استخراج كننده براي استخراج لوتتيم برابر 6/1 بود. با بررسي واكنش استخراج ساماريوم توسط مخلوط استخراج كننده‌ها، ضرايب استوكيومتريك در هر دو محلول آبي براي استخراج كننده‌هاي D2EHPA و PC88A به ترتيب 2 و 1 بدست آمد. در مرحله نهايي به منظور تعيين شرايط بهينه جدايش عناصر ساماريوم و لوتتيم از يكديگر، آزمايش‌هايي بااستفاده از نرم افزار Design expert و با در نظر گرفتن متغيرهاي pH اوليه محلول آبي (A)، غلظت مجموع استخراج كننده‌ها (B)، كسر مولي D2EHPA در فاز آلي (C) و نوع محلول آبي (D)، طراحي و اجرا شد. مقادير R^2 داده‌هاي واقعي و پيش بيني شده براي استخراج ساماريوم و لوتتيم به ترتيب برابر 87/97 و 36/98 درصد بود كه دلالت بر تطابق خوب ميان داده هاي آزمايشگاهي و مدل آماري پيشنهادي داشت. در نهايت به منظور دستيابي به حداكثر جدايش بين دو عنصر، مقادير بهينه براي پارامترهاي A، B، C و D به ترتيب 85/0، M 05/0، 2/0 و محلول سولفوريكي بود كه تحت اين شرايط ضريب جدايش برابر 272 شد.

210005

دانشگاه علم و صنعت ايران

سيد نظام الدين اشرفي زاده

مهندسي مواد و متالورژي

محمد رضا ابوطالبي-سيد حسين سيدين