界面竞争盐效应驱动的动力学增强分离：共存背景离子对薄层有机膜萃取中Er3+ /Al3+ 选择性分离的分子机制

本研究针对复杂水溶液中目标金属离子（Er3+ ）与共存盐阳离子（Al3+ ）的分离难题，通过薄层有机油膜（TOOF）萃取模型，揭示了Al3+ 浓度通过氢键作用调控P507分子界面取向及Er3+ 水合壳破坏的动力学机制，提出"低浓度Al3+ 促进扩散、高浓度抑制分离"的创新规律，为稀土工业中离子-吸附型矿浸出液的精准分离提供理论依据。

　　

在稀土元素分离提纯领域，如何从含有大量共存离子的浸出液中高效选择性提取目标稀土离子，一直是制约产业发展的瓶颈问题。传统溶剂萃取过程中，背景离子如Al³⁺
的存在往往干扰目标稀土离子（如Er³⁺
）的提取效率，而常规盐效应理论难以解释低盐浓度下出现的反常增强分离现象。针对这一挑战，北京科技大学的研究团队在《Journal of Rare Earths》发表研究，通过薄层有机油膜（TOOF）萃取系统，首次揭示了界面竞争盐效应调控Er³⁺
/Al³⁺
动力学分离的分子机制。

研究采用分子动力学（MD）模拟与密度泛函理论（DFT）计算相结合的方法，重点考察了不同Al₂
(SO₄
)₃
浓度下P507萃取剂分子界面排列与Er³⁺
水合结构的动态变化。实验选用1.5 mol/L P507-十二烷溶液（5%皂化度）作为有机相，Er₂
(SO₄
)₃
和Al₂
(SO₄
)₃
模拟浸出液体系，通过对比TOOF与传统萃取方法的性能差异，结合分子尺度模拟解析界面行为。

材料与方法
研究选用P507（二（2-乙基己基）磷酸酯）作为典型酸性磷类萃取剂，通过调控油膜厚度（50-200 μm）建立TOOF模型体系。采用紫外可见分光光度法测定离子浓度，结合径向分布函数（RDF）分析界面水分子排布，通过取向角计算量化P507分子有序度。

Al₂
(SO₄
)₃
浓度对Er³⁺
萃取的影响
实验发现：当Al³⁺
浓度为0.01 mol/L时，TOOF对Er³⁺
的分离系数（β_Er/Al
）达峰值8.7，是传统方法的2.3倍。MD模拟显示低浓度Al³⁺
通过竞争水合作用破坏Er³⁺
的[Er(H₂
O)₉
]³⁺
壳层，促使Er³⁺
界面浓度提升42%。但Al³⁺
浓度增至0.1 mol/L时，β_Er/Al
下降至3.2，归因于Al³⁺
过度水合导致界面扩散阻力增大。

油膜厚度的调控效应
50 μm薄膜体系表现出最优性能，其Er³⁺
界面富集浓度是200 μm体系的1.8倍。DFT计算表明，薄膜更易形成P507二聚体（氢键能-28.6 kJ/mol），其磷酸基团取向角标准差降低15°，增强了对Er³⁺
的选择性配位。

结论与意义
该研究阐明了"界面竞争盐效应"的双重作用机制：适度Al³⁺
通过动态水合竞争促进Er³⁺
去溶剂化，而过高浓度则引发空间位阻效应。创新性提出"界面分子工程"策略——通过调控油膜厚度优化萃取剂排列有序度，为稀土/铝离子体系建立了"浓度-膜厚-选择性"的定量关系模型。这不仅深化了对液-液界面传质选择性的理解，更为离子吸附型稀土矿（如南方风化壳淋积型稀土矿）的绿色高效分离提供了新技术路径。研究团队Gaozhang Gou、Kun Huang等指出，该机理可拓展至其他三价离子体系（如La³⁺
/Fe³⁺
），为设计新一代界面强化分离装备奠定理论基础。