通过集成超声酸浸-碱浸-溶剂萃取工艺从W-Mo废合金中分离出钨（W）和钼（Mo）

《Ultrasonics Sonochemistry》：W and Mo separation from waste W-Mo alloy by an integrated ultrasound acid leaching ? alkali leaching – Solvent extraction process

本文提出了一种超声波辅助酸浸-碱浸-溶剂萃取的集成工艺用于从废钨钼合金中高效分离钨和钼。研究表明，超声波可显著缩短酸浸时间（从4小时降至3小时），并提高钼浸出率至49.93%，同时抑制钨的溶解。碱浸阶段使残留物中钨和钼完全转化为可溶性钠盐。通过四阶段N1923溶剂萃取和反萃，实现钨和钼的深度分离，最终钼和钨的浓度分别降至20.39 g/L和0.02 g/L。机理分析表明超声波通过空化效应破坏钝化层，降低电荷转移电阻，促进金属溶解，并通过调控pH和有机相条件优化分离效率。

　　在现代社会中，钨（W）和钼（Mo）作为关键金属材料，广泛应用于航空航天、国防工业以及半导体制造等高端领域。它们具有高熔点、高密度、优异的耐磨性和热导率，使得其在高温部件、耐磨损材料及耐腐蚀材料中不可或缺。然而，随着这些材料的大量使用，其废弃处理问题也日益凸显。特别是在制造、机械加工和报废过程中，会产生大量含有W和Mo的废合金，这些废料的回收和再利用对于实现资源的可持续利用和环境保护具有重要意义。传统方法在处理这类废合金时面临诸多挑战，例如废合金的合金结构和化学惰性导致的低回收效率。因此，探索一种高效、环保的回收技术显得尤为迫切。

本研究提出了一种集成的超声波酸浸?碱浸?溶剂萃取工艺，用于从废W-Mo合金中高效分离和回收W和Mo。通过系统分析W和Mo在酸性和碱性体系中的离子形态差异，研究团队奠定了浸出和分离的基础。热力学计算表明，硝酸（HNO3）能够实现W和Mo的溶解，但W会在酸性条件下发生水解，形成氧化物沉淀，从而实现W和Mo的初步分离。然而，传统浸出工艺由于废合金结构致密以及表面产物层的形成，导致浸出效率较低。通过引入超声波辅助浸出技术，可以显著缩短浸出时间，从传统的4小时缩短至3小时，同时提高Mo的浸出效率。此外，该技术还能够有效改善固液接触界面，优化反应动力学，从而提升整体浸出效果。

在酸浸阶段，W和Mo的浸出效率分别为2.56%和49.93%。这一阶段的残留物中，约97.44%的W和50.07%的Mo仍然存在于残留物中。随后，残留物被进行碱浸处理，使W和Mo全部转化为可溶的钠盐形式。碱浸过程中，W和Mo的溶解效率得到了显著提升，达到了更高的水平。最终，通过四阶段的N1923溶剂萃取工艺，实现了W和Mo的彻底分离，萃取后的残液中W的浓度为0.02 g/L，而Mo的浓度为20.39 g/L。这种分离过程不仅提高了回收效率，还为后续的纯化和再利用提供了良好的基础。

为了深入理解超声波辅助浸出的强化机制，研究团队采用了一系列电化学分析和材料表征技术。实验结果表明，超声波通过产生空化效应，破坏了废合金表面的钝化层，从而提高了固液接触效率，并优化了反应动力学。同时，超声波还能够增强体系的氧化能力，降低反应活化能，促进金属的溶解。在电化学测试中，超声波辅助浸出显著降低了电荷转移电阻，提高了电子转移效率，从而实现了电化学活化，进一步促进了金属的溶解过程。这些结果表明，超声波不仅在物理层面提高了浸出效率，还在化学层面增强了氧化能力，为废合金的高效回收提供了理论支持和实验依据。

此外，研究还对废合金的浸出残留物进行了详细的物相分析和微观结构研究。通过X射线衍射（XRD）和热重-差示扫描量热（TG-DSC）分析，确认了残留物主要由水合三氧化钨和水合三氧化钼组成。SEM-EDS分析显示，残留物中的W和Mo分布均匀，形成了一种特定的共沉淀结构。XPS分析进一步揭示了残留物中W和Mo的高氧化态，表明其在酸性条件下的水解反应形成了稳定的水合氧化物。通过对比传统浸出和超声波辅助浸出后的残留物，研究发现超声波有效减少了残留物表面的吸附颗粒，使得浸出过程更加高效。这种物理和化学的双重作用机制，为超声波辅助浸出技术在实际工业应用中的推广提供了坚实的基础。

在溶剂萃取阶段，研究团队采用N1923作为萃取剂，通过调节溶液pH值、萃取剂浓度、温度和油水比等关键参数，实现了W和Mo的高效分离。实验结果显示，当pH值控制在7.0时，W的萃取效率达到75.18%，而Mo的萃取效率为13.71%。随着萃取剂浓度从5%增加到10%，W和Mo的萃取效率均有所提高，分离因子βW/Mo也相应增加。当温度从20°C提升到25°C时，W和Mo的萃取效率分别增加到76.38%和12.46%。油水比在2.5以下时，萃取效率和分离因子均呈上升趋势，而在2.5以上时，变化趋于平稳。因此，选择油水比为2.5作为最优条件，可以实现高效的萃取。经过四阶段萃取后，W的浓度从20.09 g/L降低至0.02 g/L，而Mo的浓度从34.82 g/L降低至20.39 g/L。这种多阶段萃取方法显著提高了W的回收率，同时也保证了Mo的高效分离。

在反萃取过程中，研究团队采用NaOH作为反萃取剂，通过调节其浓度、油水比、温度和时间等参数，实现了W和Mo的高效反萃取。实验结果表明，当NaOH浓度为0.3 mol/L时，反萃取效率达到近100%。油水比在1:1以下时，Mo的反萃取效率显著高于W，随着油水比的降低，W和Mo的回收率均有所提高。温度对反萃取效率影响较小，因此选择室温作为最佳操作条件。时间因素方面，20分钟的反萃取时间即可实现W和Mo的完全回收，超过此时间后，效率不再显著提升。这种高效的反萃取过程不仅提高了金属的回收率，还降低了操作成本，为实际应用提供了良好的经济性支持。

通过对整个回收过程的元素分布和分离机制的讨论，研究团队进一步明确了W和Mo在不同步骤中的行为。在酸浸过程中，W和Mo的溶解行为受到pH值的影响，Mo以可溶的MoO2^2+形式存在于溶液中，而W则形成不溶的WO3·H2O。通过碱浸处理，W和Mo均转化为可溶的WO4^2-和MoO4^2-，从而实现了它们的完全溶解。在溶剂萃取过程中，N1923通过与高电荷聚阴离子的优先配位，实现了W和Mo的分离。随着pH值的降低，W的聚合程度增加，而Mo的共聚合程度也相应提升，导致多阶段萃取过程中Mo的损失增加。因此，pH值的调控对于W和Mo的高效分离至关重要。

本研究提出的集成工艺不仅提高了W和Mo的回收效率，还显著降低了能耗和环境污染。通过超声波辅助浸出技术，缩短了浸出时间，同时提高了金属的溶解效率。在溶剂萃取过程中，通过调节pH值和萃取剂浓度，实现了高效的分离。此外，该工艺还具备良好的经济性，适用于大规模工业应用。研究团队认为，未来可以进一步探索使用空气基浸出剂替代氧化性酸，结合超声波技术，以进一步提高回收效率并降低环境影响。这种集成策略为废W-Mo合金的高效回收提供了新的思路和技术路径，有助于推动绿色冶金技术的发展，实现资源的可持续利用和环境保护。