科创中国
系列含氮中性磷稀土萃取剂的设计与合成
发布时间: 2022-09-09
基本信息
合作方式：
技术转让
成果类型：
实用新型专利
行业领域：
新材料技术
成果介绍
本项目属于湿法冶金领域。稀土是我国特色的战略资源，我国也已成为稀土生产和应用的大国。我国的稀土冶炼主要采用溶剂萃取方法，但目前仍然采用的是上世纪70年代开发的以P507和环烷酸为主要萃取剂的溶剂萃取技术，但P507萃取体系存在重稀土分离效率不高、反萃酸度大等问题，环烷酸为石油裂解副产物，化学成份复杂，长期运行不稳定，特别是随着国家对汽柴油品质要求更加严格，作为副产品的环烷酸的来源受到严重影响。稀土萃取剂的性能决定着稀土提取与分离的效率。
成果亮点
本项目着眼于稀土资源中高丰度元素如铈和钇的优先分离及单一稀土的高效分离，通过在有机磷萃取剂中引入氮元素以影响萃取剂分
子的电子组态并参与金属离子的配位，设计合成了一系列磷酰胺萃取剂和含氨基中性膦萃23取剂，并水解后得到了系列含氮酸性磷萃取剂，建立了新型的萃取分离体系，实现了四价铈和钍的优先萃取和分离，并拓展到铀、锆铪、铜等元素的提取与分离，含氮酸性磷萃取剂表现出较好的单一稀土分离能力，丰富了稀土及过渡金属的萃取分离技术，为稀土的绿色高效分离提供了萃取剂保障，也为通用高效萃取剂的研究提供了一个很好的例证。
设计合成了一系列如通式 I 的磷酰胺类和如通式 II 的含氨基有机磷萃取剂，并应用于四价铈、钍、稀土、铀、锆铪及铜的提取与分离；将中性磷萃取剂水解制得相应的有机膦酸萃取剂，应用于单一稀土分离。经理论计算，发现 N-取代的中性磷萃取剂在硫酸介质中与四价铈的反应能较不取代的反应能更负，说明萃取反应更容易进行。这表明氮元素的引入对磷酸酯类萃取剂的萃取能力产生了明显影响。
团队介绍
廖伍平，中国科学院长春应用化学研究所中心主任
项目负责人，负责项目的总体设计、实施及过程管理，提出在中性磷萃取剂中引入氮元素合成新萃取剂的思路。
卢有彩，中国科学院长春应用化学研究所
负责含氮中性磷萃取剂萃取四价铈和钍的萃取热力学研究，基于 Cextrant230 萃取剂的氟碳铈矿清洁分离流程扩大试验主要实施人之一。
张志峰，中国科学院长春应用化学研究所
基于 Cextrant230 萃取剂的氟碳铈矿清洁分离流程扩大试验现场负责人。
中国科学院长春应用化学研究所
我所独立完成了本项目的技术研发，并在应化所北区基地搭建了稀土及钍分离中试平台，用于新萃取剂的研发及相应稀土分离工艺的扩大试验和中试。我所提出了在有机磷萃取剂分子中引入氮元素的萃取剂设计思路，并独立设计合成了系列磷酰胺和含氨基中性膦萃取剂，对其萃取稀土和其它金属离子进行了研究，筛选出针对高丰度稀土元素铈及放射性元素钍优先分离的特效萃取剂，开发出基于该萃取剂的具有自主知识产权的氟碳铈矿清洁分离工艺，并进行了该清洁工艺的实验室试验和扩大试验。
成果资料
产业化落地方案
成果综合评价报告
评价单位：“科创中国”稀土产业科技服务团 (中国稀土学会) 评价时间：2022-09-27
范云鹰
昆明理工大学材料科学与工程学院
教授
综合评价
我国稀土资源大部分集中在包头和四川，而这两地的稀土资源中铈元素的量都占总稀土的一半左右，而且均含有伴生放射性元素钍。因此，实现高丰度铈元素和放射性钍元素的优先分离是实现稀土资源清洁高效利用的重要途径。而萃取剂的性能是决定稀土提取与分离效率的关键。本项目针对这一关键问题和我国 40 年来没有新的稀土萃取剂的局面，提出了在有机磷萃取剂分子中引入氮元素的萃取剂设计思路，设计合成了系列含氮中性磷萃取剂，筛选出适用于高丰度铈及放射性钍元素优先分离的特效萃取剂，开出基于该萃取剂的具有自主知识产权的氟碳铈矿清洁分离工艺，并进行了扩大试验验证；也筛选出适合于单一稀土、铀钍、锆铪、铜钴的萃取剂，获得了可用于多种金属离子分离纯化的通用萃取剂，为我国稀土萃取剂的合成开发提供了新的样本和思路。
本项目提供的萃取剂及其应用已获得２项中国发明专利授权，并申请了４项发明专利、提交了２项国际 PCT 申请，为我国稀土产业结构的升级提供了新的萃取剂选择，突破了昂贵的进口萃取剂的局限。
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