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滴體積法分析TODGA/HNO3體系萃取La3+過程中界面張力變化影響因素（一）
來源：高等學?；瘜W學報 瀏覽 918 次 發(fā)布時間:2025-02-10
利用滴體積法研究了La3+/HNO3/N,N,N′，N′~四辛基~3-氧戊二酰胺（TODGA）/稀釋劑體系的界面性質(zhì)，考察了TODGA濃度、液滴形成時間、稀釋劑種類、 La3+濃度、體系溫度、離子強度和溶液酸度等因素對體系界面性質(zhì)的影響。實驗結(jié)果表明，體系達到界面飽和吸附時間約為120 s,可認為體系達到萃取平衡； TODGA濃度不同時，界面張力也不同，進而判定界面飽和吸附物種亦不相同；極性較小的稀釋劑體系的界面張力降低較大，按照正辛烷>環(huán)己烷>苯>甲苯次序降低； HNO3對TODGA的質(zhì)子化作用使其表面活性顯著增強，故硝酸濃度增大導致界面張力降低； NaNO3的存在降低了界面上游離萃取劑分子的濃度，致使界面張力增大。
酰胺萃取劑具有易合成、耐輻射、不易水解、不影響萃取過程和能完全燃盡無污染等優(yōu)點，被廣泛用于鑭系、錒系離子的萃取分離。其中，N,N,N′，N′~四辛基~3-氧戊二酰胺（TODGA）與其它類型的酰胺萃取劑相比，在萃取率及穩(wěn)定性上表現(xiàn)出較大優(yōu)勢，已成為研究熱點之一。目前，大多數(shù)關(guān)于TODGA萃取的研究均集中于熱力學方面，對其萃取動力學研究較少，但是許多萃取體系存在動力學分離因素影響遠遠大于平衡分離因素的現(xiàn)象，因此進行萃取動力學實驗和理論研究具有重要意義。
考慮到萃取反應(yīng)主要是在界面區(qū)域進行，因此考察兩相界面性質(zhì)對于深入解析其萃取過程及萃取動力學機理顯得至關(guān)重要。界面張力是反應(yīng)界面性質(zhì)的最直觀參數(shù)，界面張力的常用測量方法有滴體積法、懸滴法、鉑金環(huán)法、最大泡壓法和毛細管上升法等，其中滴體積法具有測定數(shù)據(jù)準確性較高、重復性好和誤差較小等優(yōu)點。與其它測量方法相比，滴體積法通過控制液滴生長時間來考察液滴形成時間對界面性質(zhì)的影響，對研究萃取過程有獨特優(yōu)勢?；诖耍疚牟捎玫误w積法，考察了包括稀釋劑種類、萃取劑濃度、平衡時間、 La3+濃度、體系溫度、溶液酸度和離子強度等化學環(huán)境因素對TODGA/HNO3萃取La3+的界面性質(zhì)的影響。以期通過改變實驗條件引起界面現(xiàn)象的變化，來分析萃取過程中萃取劑分子在有機相中的擴散、在界面上的吸附~解吸以及離子萃取等行為，進而對萃取過程動力學做出更本質(zhì)的理解。
1 實驗部分
1.1試劑
TODGA由本實驗室自制，純度為99%; 其它試劑均為市售商品，依據(jù)試劑純化手冊進行純化。
1.2實驗過程
1.2.1操作步驟自行設(shè)計制作滴體積裝置，裝置示意圖見圖1.按圖1所示將各部件固定好，設(shè)定好恒溫槽溫度，再進行以下操作：（1）將密度小的溶液裝入樣品管；（2）用注射器將密度大的溶液吸入滴體積管，將滴體積管尖端伸入樣品管內(nèi)液面以下，將注射器固定于微量注射泵上；（3）設(shè)置微量注射泵流速，開始滴液；（4）控制微量注射泵，在滴體積管管口慢慢形成液滴，滴落瞬間停止微量注射泵，讀取滴體積管示數(shù)V0（mL）；然后，將微量注射泵示數(shù)調(diào)零，重復滴定操作，同時開始記時，記錄從開始到結(jié)束滴落的液滴數(shù)n及時間t0（s），以及此時滴體積管示數(shù)V（mL），則（V-V0）/n為每一滴的體積，t0/n（t）為每一滴的生成時間。
1.2.2界面張力的計算界面張力γ按下式計算：
式中：γ（N/m）為兩相液體之間的界面張力；ρ1（g/mL）為重相液體密度；ρ2（g/mL）為輕相液體密度；V（mL）為液滴的體積；g為重力加速度；r（m）為滴體積管管口半徑；π為常數(shù)；φ為r/V1/3的函數(shù)，與溶液的界面張力、滴管材料、液體密度和黏度等無關(guān)。
2 結(jié)果與討論
2.1不同TODGA濃度下液滴形成時間對界面張力的影響
考察了以正辛烷作稀釋劑時，不同TODGA濃度體系的界面張力隨液滴形成時間的變化情況。從圖2可以看出，對于不同TODGA濃度（包括不添加TODGA）的體系，界面張力均隨著時間的延長逐漸降低，約在120 s時基本達到界面吸附平衡，可以認為萃取過程在此時間段內(nèi)基本完成；液滴形成時間相同時， TODGA濃度越大，體系的界面張力值越小，即不同濃度下達到界面吸附平衡的濃度不同，表明不同TODGA濃度體系界面物種成分不同。
圖3示出了界面張力隨萃取劑濃度的變化曲線，在液滴形成時間相同時，界面張力隨萃取劑濃度的增大而逐漸降低，在0.15 mol/L時，界面張力趨于平衡，界面區(qū)域萃取劑達到此酸度下的臨界膠束濃度。
液滴生長過程是一個水相與有機相接觸，發(fā)生萃取，逐漸趨于平衡的過程。在這一過程中萃取劑分子通過擴散、吸附~解吸等行為最終在兩相界面區(qū)域達到平衡，平衡時間的長短主要由萃取劑分子在有機相中的擴散時間和在界面區(qū)域達到吸附~解吸平衡時間2個過程決定。
鑒于平衡時間約為120 s,所以在考察其它因素的影響時將液滴形成時間均控制在 120 s以上，以保證界面區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)。