從廢棄熒光粉中浸出稀土及其動力學(xué)分析

鄧庚鳳，徐 鵬，廖春發(fā)

（江西理工大學(xué) 冶金與化學(xué)工程學(xué)院，江西贛州 341000）

熒光粉生產(chǎn)過程中產(chǎn)出大量工藝廢粉，其中含有大量稀土，是重要的二次資源。從廢棄熒光材料或工藝廢粉中回收稀土已得到廣泛關(guān)注［1-2］。從廢棄熒光粉中浸出稀土，可以用硫酸、鹽酸等［3-7］，但由于熒光粉制備過程比較特殊，從廢棄熒光粉中回收稀土?xí)r，稀土浸出率都較低。試驗(yàn)研究了用鹽酸從熒光燈生產(chǎn)過程中產(chǎn)出的廢棄熒光粉中浸出稀土，并研究了浸出動力學(xué)。

1 試驗(yàn)部分

1．1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用鹽酸為分析純。試驗(yàn)所用廢棄熒光粉為熒光燈生產(chǎn)過程中的工藝廢粉，其組成見表1，經(jīng)過烘干、研磨處理。

表1 廢棄熒光粉的組成 %

1．2 試驗(yàn)方法

浸出試驗(yàn)在燒杯中進(jìn)行。用一定濃度的鹽酸，按一定的液固體積質(zhì)量比加入廢棄熒光粉，常溫下攪拌浸出。浸出液中的稀土質(zhì)量濃度用ICP法（FWS-1000型）測定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1 稀土浸出

2．1．1 浸出時(shí)間對稀土浸出率的影響

液固體積質(zhì)量比為5∶1，鹽酸濃度為4 mol／L，室溫下浸出。浸出時(shí)間對稀土浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 浸出時(shí)間對稀土浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果

從表2看出：隨反應(yīng)時(shí)間延長，稀土浸出率增大；浸出6h時(shí)，稀土浸出率達(dá)92．71%，之后再延長浸出時(shí)間，稀土浸出率變化不大。綜合考慮生產(chǎn)周期及經(jīng)濟(jì)效益，反應(yīng)時(shí)間選擇為6h。

2．1．2 鹽酸濃度對稀土浸出率的影響

液固體積質(zhì)量比為5∶1，反應(yīng)時(shí)間為6h，反應(yīng)溫度為室溫。鹽酸濃度對稀土浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果見表3。可以看出：隨鹽酸濃度增大，稀土浸出率提高；鹽酸濃度為1mol／L時(shí)，稀土浸出率為14．61%；鹽酸濃度為5mol／L時(shí)，稀土幾乎全部浸出。隨鹽酸濃度增大，單位體積內(nèi)鹽酸分子數(shù)增多，反應(yīng)速度加快；但酸濃度過高，不僅對反應(yīng)設(shè)備要求高，而且對后面的萃取工序有影響。綜合考慮，鹽酸濃度確定為4mol／L。

表3 鹽酸濃度對稀土浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果

2．1．3 液固體積質(zhì)量比對稀土浸出率的影響

鹽酸濃度為4mol／L，反應(yīng)時(shí)間為6h，反應(yīng)溫度為室溫。液固體積質(zhì)量比對稀土浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 液固體積質(zhì)量比對稀土浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果

由表4看出：隨液固體積質(zhì)量比增大，稀土浸出率升高；液固體積質(zhì)量比為7∶1時(shí)，稀土浸出率接近100%。在鹽酸濃度不變前提下，隨液固體積質(zhì)量比增大，液固兩相接觸更充分，酸浸反應(yīng)進(jìn)行的更順利；但液固體積質(zhì)量比過大會導(dǎo)致浸出和液固分離設(shè)備負(fù)荷加大，浸出劑損耗加大：綜合考慮，液固體積質(zhì)量比確定以5∶1較為適宜。

2．1．4 溫度對稀土浸出率的影響

鹽酸濃度為4mol／L，液固體積質(zhì)量比為5∶1，反應(yīng)時(shí)間為6h。溫度對稀土浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 反應(yīng)溫度對稀土浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果

從表5看出：隨溫度升高，稀土浸出率升高；室溫下，稀土浸出率為92．71%；90℃時(shí)，稀土浸出率接近100%。溫度升高，對設(shè)備的要求提高，而且能耗加大，綜合考慮，確定稀土浸出在常溫下進(jìn)行。

2．2 稀土浸出動力學(xué)分析

不同溫度、不同浸出時(shí)間條件下的鹽酸浸出稀土試驗(yàn)結(jié)果見表6。其他浸出條件：鹽酸濃度2．0mol／L，液固體積質(zhì)量比5∶1。

表6 不同溫度、不同浸出時(shí)間下的稀土浸出試驗(yàn)結(jié)果

將表6數(shù)據(jù)（x）對應(yīng)浸出時(shí)間（t）分別用［1-（1-x）1／3］-t和［1-2／3x-（1-x）2／3］-t方程進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖1、2所示。

可以看出：在25～90℃范圍內(nèi)，［1-（1-x）1／3］-t的線性相關(guān)系數(shù)R≥0．93（圖1），［1-2／3x-（1-x）2／3］-t的線性相關(guān)系數(shù)R≥0．95（圖2）。由此初步判斷，從廢熒光粉中浸出稀土過程受擴(kuò)散控制，符合收縮核心模型。

圖1 不同溫度下的［1-（1-x）1／3］-t關(guān)系

圖2 不同溫度下的［1-2／3x-（1-x）2／3］-t關(guān)系

［1-2／3x-（1-x）2／3］-t擬合所得直線的線性回歸方程見表7。根據(jù)直線斜率（即表觀速率常數(shù)k）與溫度（T）的關(guān)系，繪制lnk對1／T關(guān)系曲線，如圖3所示。

表7 不同溫度下的［1-2／3x-（1-x）2／3］-t關(guān)系

圖3 稀土浸出過程中l(wèi)nk與1／T的關(guān)系

由圖3看出，lnk與1／T呈線性關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R＝0．94），斜率為-3 033．9。根據(jù) Arrhrnius公式［10］，求得反應(yīng)活化能為：

稀土浸出反應(yīng)的表觀活化能在8～30kJ／mol范圍內(nèi)，浸出過程的確受擴(kuò)散控制，反應(yīng)動力學(xué)遵循未反應(yīng)核收縮模型。

3 結(jié)論

用鹽酸可以從廢棄熒光粉中浸出稀土。室溫下，用濃度為4mol／L的鹽酸浸出6h，控制液固體積質(zhì)量比為5∶1，稀土浸出率可以達(dá)到92．71%。對于未經(jīng)活化預(yù)處理的工藝廢熒光粉，在25～90℃范圍內(nèi)，稀土浸出過程受擴(kuò)散控制，反應(yīng)動力學(xué)過程遵循未反應(yīng)核收縮模型，反應(yīng)的活化能為25．22kJ／mol。

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