從廣西某赤泥中鹽酸浸出鈧實驗研究①

羅 星， 馬榮鍇， 李 勇， 盧美玲， 馮吉福

（中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西 桂林541004）

鈧在元素周期表中位于第四周期第Ⅲ副族，被稱為廣義稀土元素。 由于鈧特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，主要應(yīng)用于制備固體氧化物燃料電池（SOFC）、鋁鈧合金和鈧鈉鹵燈等方面［1-2］。 其中75%～80%的鈧伴生在鋁土礦中，在氧化鋁生產(chǎn)過程中98%以上的鈧都富集到赤泥中，因此赤泥是最豐富的鈧資源［3］。

從赤泥中回收鈧［4-9］主要采用酸性體系（硫酸或鹽酸體系）［10-11］。 本文在鹽酸體系下，以脫出鋁鈉鐵后的赤泥為原料，采用攪拌浸出方式，開展了鈧浸出實驗研究，為赤泥中鈧的提取提供依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗原料、主要藥劑與儀器

赤泥采自廣西某拜耳法氧化鋁廠壓濾車間，赤泥經(jīng)過“鋁鈉回收（亞熔鹽法）-還原焙燒-磁選回收鐵”工藝處理后得到本實驗原料。 該原料主要成分見表1。 從表1 可知，該原料主要含Ca、Si、Al 和Ti，其中Sc 含量為0.01%。 原料XRD 圖譜見圖1。 從圖1 可知原料中主要物相為Ca2SiO4和Ca3Al2O6。

主要藥劑為鹽酸（分析純），實驗用水為自來水。主要儀器包括三口燒瓶、水浴鍋和攪拌機。

表1 原料化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

圖1 原料XRD 圖譜

1.2 實驗方法

將濃鹽酸稀釋至實驗所需的摩爾濃度，并量取所需體積待用；將恒溫水浴鍋預(yù)熱至實驗溫度，將100 g實驗原料與一定濃度的鹽酸倒入燒瓶中，同時打開攪拌機并開始計時；達(dá)到預(yù)定的反應(yīng)時間后，將燒瓶取出，抽濾，濾渣用水洗滌3 次，烘干后用于化驗。

1.3 實驗原理

原料中主要物相為Ca2SiO4和Ca3Al2O6，還有殘余的Fe2O3，在鹽酸體系下，主要發(fā)生以下反應(yīng)：

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 浸出時間

從原料的特性分析，在鹽酸體系下，原料與鹽酸的化學(xué)反應(yīng)大致可以分為3 個階段。 第一階段：鹽酸與原料中的含鈣礦物（Ca2SiO4和Ca3Al2O6）先發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，消耗體系中大部分鹽酸，并產(chǎn)生氣體和放出熱量，原料顆粒減??；第二階段：隨著反應(yīng)的進(jìn)行，鹽酸與原料中殘存的鐵或者氧化鐵反應(yīng)，可以看見溶液發(fā)生明顯的顏色變化，由前期的無色溶液逐漸變?yōu)榈S色，直至變?yōu)樯铧S色，在該階段中賦存于鐵礦物中的鈧得到浸出；第三階段：以類質(zhì)同象形式賦存于礦物中的鈧得到浸出，包括部分金紅石中的鈧。 其中第一階段的反應(yīng)速度大大快于后面兩個階段，反應(yīng)也較為徹底；第二階段和第三階段反應(yīng)次序無明顯界限，但含鐵礦物的浸出速度還是優(yōu)于鈧的浸出速度。

控制礦漿濃度16.67%（液固比為5 ∶1）、溫度80 ℃、鹽酸濃度6 mol／L 和適宜的攪拌強度，進(jìn)行了浸出時間條件實驗，結(jié)果見圖2。 從圖2 可知，隨著浸出時間延長，鈧浸出率逐步提高，但是到4 h 后鈧浸出趨于平衡，再延長時間對鈧浸出率影響不明顯，考慮到生產(chǎn)效率，選擇最佳浸出時間為4 h。

圖2 浸出時間對鈧浸出率的影響

2.2 浸出溫度

浸出時間4 h，其他條件不變，進(jìn)行了浸出溫度條件實驗，結(jié)果見圖3。 從圖3 可以看出，浸出溫度對鈧浸出率影響明顯，當(dāng)浸出溫度從20 ℃升高到80 ℃時，鈧浸出率從35%提高到63%，雖然進(jìn)一步提高溫度有可能提高鈧浸出率，但考慮到生產(chǎn)條件和環(huán)境，確定最佳溫度為80 ℃。

圖3 浸出溫度對鈧浸出率的影響

隨著溫度升高，分子運動速率加快，提高了表面化學(xué)反應(yīng)速率，鈧浸出速率相應(yīng)提高，F(xiàn)e、Ca、Al 浸出速率也在加快。 在溫度較低的情況下，浸出液中無硅膠產(chǎn)生，但是隨著溫度升高，促進(jìn)了硅膠的產(chǎn)生，但是因為后期酸度降低，硅膠和鋁、鐵離子水解產(chǎn)物絮凝進(jìn)入渣中，通過對實驗過程研究也發(fā)現(xiàn)，硅膠的產(chǎn)生對鈧浸出率影響有限。

2.3 鹽酸濃度

浸出溫度80 ℃，其他條件不變，進(jìn)行了鹽酸濃度條件實驗，結(jié)果見圖4。 從圖4 可以看出，鈧浸出率隨鹽酸濃度升高而提高，在鹽酸濃度為2 mo／L 和4 mo／L 條件下，鈧浸出率非常低，主要是因為鹽酸被原料中含鈣礦物（Ca2SiO4和Ca3Al2O6）所消耗，因為此部分含鈣礦物是原料前期處理工藝產(chǎn)生的，該類礦物中基本不含鈧，從浸出液的顏色可以看出，在該鹽酸濃度下，濾液顏色為無色。 當(dāng)鹽酸濃度超過6 mol／L 后，濾液顏色變?yōu)樯铧S色，含鈣礦物反應(yīng)完成后，還剩余鹽酸，含鐵礦物被溶解，同時鐵礦物中的鈧也得到浸出，鈧浸出率大幅提高。 鹽酸濃度6 mol／L 和8 mol／L 條件下鈧浸出率差別不大，確定最佳鹽酸濃度為6 mol／L。

圖4 鹽酸濃度對鈧浸出率的影響

2.4 礦漿濃度

鹽酸濃度6 mol／L，其他條件不變，進(jìn)行了礦漿濃度條件實驗，結(jié)果見圖5。 從圖5 可以看出，隨著礦漿濃度降低，鈧浸出率呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。 在較高的礦漿濃度下，攪拌過程中容易形成膏狀物，需要加大攪拌強度，同時擴(kuò)散傳質(zhì)較慢，鈧浸出率低。進(jìn)一步降低礦漿濃度，生成的產(chǎn)物能夠輕易地被攪散，擴(kuò)散過程不是主要的控制因素，鈧浸出率得到提高。 考慮到后期萃取的需要，礦漿濃度不宜過低，選擇最佳礦漿濃度為7.7%（液固比為12 ∶1）。

圖5 礦漿濃度對鈧浸出率的影響

2.5 綜合條件實驗

在前述條件實驗中，得到最佳實驗條件為：浸出時間4 h、浸出溫度80 ℃、鹽酸濃度6 mol／L 和礦漿濃度7.7%。 在該條件下，進(jìn)行了3 組綜合實驗，鈧浸出率分別為73.2%、73.5%和73.1%，平均浸出率73.27%，實驗可重復(fù)性好。

3 結(jié) 論

1） 對采自廣西某拜耳法氧化鋁廠壓濾車間的赤泥，經(jīng)過“鋁鈉回收（亞熔鹽法）-還原焙燒-磁選回收鐵”工藝處理后得到的含鈧物料進(jìn)行了分析，物料中主要礦物為Ca2SiO4和Ca3Al2O6，是主要的耗酸礦物。

2） 對該含鈧物料進(jìn)行了鹽酸浸出實驗研究，得出鹽酸浸出最佳工藝條件為：浸出時間4 h、浸出溫度80 ℃、鹽酸濃度6 mol／L 和礦漿濃度7.7%。 在最佳工藝條件下進(jìn)行了3 組綜合實驗，可獲得鈧平均浸出率73.27%。