Solvent extraction is the key separation method in hydrometallurgy. With proper conditioning of such a system, the transfer of metal-species from an aqueous phase into an organic phase can be triggered, either the enrich a desired metal species or to remove undesired impurities. On a laboratory scale, many powerful extractants have been synthesized that enable to selectively and efficiently ...
Abstract (English)
Solvent extraction is the key separation method in hydrometallurgy. With proper conditioning of such a system, the transfer of metal-species from an aqueous phase into an organic phase can be triggered, either the enrich a desired metal species or to remove undesired impurities. On a laboratory scale, many powerful extractants have been synthesized that enable to selectively and efficiently select any desired metal species. However, application on an industrial scale is yet out of grasp, as fundamental principles of solvent extraction formulation are yet poorly understood. One key problem that is encountered by engineers is the formation of undesired phases (e.g. liquid crystals, emulsification and third-phase formation) and no model is available that allows to predict the occurrence of these phases.
This work is dedicated to elaborate the macroscopic phase behaviour of solvent extraction systems by systematic screening of the macroscopic properties of a reference model. Therefore, we use HDEHP as extractant molecule and its sodium salt represents the extractant engaged in complex formation and how solvent penetration plays a crucial role. Establishing a phase prism, where the Z-axis represents ratio between HDEHP and NaDEHP, we are able to employ different cuts, known from surfactant science. These allow to deduce the properties of the complexes (also referred to as reverse micelles) on a nanoscopic level. The major revelation is that two different types of phase separation have been identified: an emulsification failure, where the interior solvent (water, that is co-solubilized inside the reverse micelles) is rejected from the extracting organic phase. Second, a liquid-gas type of phase separation, where the exterior solvent (the organic diluent) is repelled, resulting in two organic phases, where the heavy one carries all the extractants and the light one is purely the organic diluent. This second type needs to be avoided in solvent extraction formulation.
In the second part of this work and based on the phase diagrams determined in the first part, the conductivity profile is extensively screened in monophasic regions. Three limits have been determined to play a major role on the conducting properties of a water-poor microemulsion: the critical aggregation concentration (CAC); the degree to which the head-groups are hydrated: transition from reverse micelles, where water is immobilized as it hydrates the extractant head-groups, towards swollen reverse micelles, exhibiting a liquid water-core; and the percolation threshold. In total, this gives 5 different regions which have dissimilar conducting properties.
Translation of the abstract (French)
L'extraction liquide-liquide est la méthode de séparation clé en hydrométallurgie. Avec un conditionnement approprié, le transfert d'espèces métalliques d'une phase aqueuse dans une phase organique peut être déclenché, soit pour enrichir une espèce métallique désirée, soit pour éliminer des impuretés non désirées. A l'échelle du laboratoire, de nombreux molécules extractantes puissantes ont été ...
Translation of the abstract (French)
L'extraction liquide-liquide est la méthode de séparation clé en hydrométallurgie. Avec un conditionnement approprié, le transfert d'espèces métalliques d'une phase aqueuse dans une phase organique peut être déclenché, soit pour enrichir une espèce métallique désirée, soit pour éliminer des impuretés non désirées. A l'échelle du laboratoire, de nombreux molécules extractantes puissantes ont été synthétisées, permettant d’extraire sélectivement et efficacement toutes les espèces métalliques désirées. Cependant, l'application à l'échelle industrielle est encore hors de portée, car les principes fondamentaux de la formulation d'extraction liquide-liquide sont encore mal compris. Un problème clé rencontré par les ingénieurs est la formation de phases non souhaitées (par exemple des cristaux liquides, des émulsifications et la formation de troisième phase) et aucun modèle permettant de prédire l'occurrence de ces phases n'est désirées.
Ce travail est dédié à l'élaboration du comportement en phase macroscopique des systèmes liquide-liquide par criblage systématique des propriétés macroscopiques d'un modèle de référence. Par conséquent, nous utilisons HDEHP comme molécule d'extraction et son sel de sodium représente l'extractant engagé dans la formation de complexes et comment la pénétration du solvant joue un rôle crucial. L'établissement d'un prisme de phases, où l'axe Z représente le rapport entre HDEHP et NaDEHP, nous pouvons employer différentes coupes, connues de la science de surfactant. Ceux-ci permettent de déduire les propriétés des complexes (également appelés micelles inverses) à un niveau nanoscopique. La révélation majeure est que deux types différents de séparation de phase ont été identifiés: un échec d'émulsification, où le solvant intérieur (l'eau, qui est co-solubilisée par des micelles inverses) est rejeté de la phase organique d'extraction. Deuxièmement, un type de séparation de phase liquide-gaz, où le solvant extérieur (le diluant organique) est repoussé, résultant en deux phases organiques, où la lourde porte tous les extractants et la légère est purement le diluant organique. Ce second type doit être évité dans une formulation d'extraction par solvant.
Dans la deuxième partie de ce travail et sur la base des diagrammes de phases déterminés dans la première partie, le profil de conductivité est largement criblé dans les régions monophasiques. Trois limites ont été déterminées pour jouer un rôle majeur sur les propriétés conductrices d'une microémulsion pauvre en eau: la concentration d'agrégation critique (CAC); le degré d'hydratation des groupes de tête de l’extractant: transition des micelles inverses, où l'eau est immobilisée en hydratant les têtes de l'extractant, vers les micelles inversées gonflées, présentant un noyau d'eau liquide; et le seuil de percolation. Au total, cela donne 5 régions différentes qui ont des propriétés conductrices dissemblables.
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