利用碳酸氫銨—氨水混合沉淀劑制備碳酸鑭的研究

郝一鳴，董 方

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

碳酸鑭屬于重要稀土中間產(chǎn)品之一，可用于稀土新材料的制備，同時(shí)還能作為制備氯化稀土及硝酸稀土的原材料。制備碳酸稀土?xí)r可使用的沉淀劑類型較多，主要包括碳酸氫氨、尿素和碳酸氫鈉等。

現(xiàn)階段較為常見(jiàn)的碳酸鑭制備工藝為將碳酸氫銨溶液和氯化稀土進(jìn)行反應(yīng)，之后進(jìn)行漿液的過(guò)濾和洗滌處理，進(jìn)一步制備碳酸稀土產(chǎn)品。但是上述制備方法還存在一定不足，因此本文提出了混合沉淀劑制備方法，以期得到預(yù)期制備效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

本次實(shí)驗(yàn)選擇的原材料主要為氯化鑭溶液，組成成分包括碳酸氫銨、氨水。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用EDTA滴定法測(cè)量溶液中稀土濃度，并采取比色法測(cè)量氯離子含量，利用ICP法測(cè)量雜質(zhì)離子，同時(shí)借助掃描電鏡和XRD來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品物相結(jié)構(gòu)及形貌。需要應(yīng)用的儀器設(shè)備有X射線衍射儀、磁力攪拌器、循環(huán)水式真空泵以及掃描電鏡等。在制備產(chǎn)品時(shí)，將碳酸氫銨和氨水按照1:1.04的摩爾比混合起來(lái)，并在其中加入一定量純水制成混合沉淀劑。在氯化鑭料液中加入適當(dāng)純水，得到稀土濃度為30至240g/L的溶液，在不斷攪拌和適宜溫度條件下，將沉淀劑以及氯化鑭料液加入到稀土底液中，直至混合漿液的pH值為6.7時(shí)停止加入試劑。在對(duì)得到的混合漿液進(jìn)行過(guò)濾和洗滌處理后，便能得到碳酸稀土產(chǎn)品。

2 結(jié)果與討論

2.1 稀土濃度與碳酸鑭產(chǎn)品質(zhì)量間關(guān)系

在制備碳酸鑭產(chǎn)品時(shí)，將實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定為反應(yīng)溫度40℃、稀土濃度272g/L、反應(yīng)時(shí)間為7h，對(duì)制備過(guò)程中對(duì)氯離子含量進(jìn)行測(cè)定時(shí)，可發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中氯離子含量隨著稀土濃度增大而增加。當(dāng)稀土濃度控制在30至100g/L范圍內(nèi)時(shí)，碳酸氫銨產(chǎn)品中的稀土含量超過(guò)45%，并且總量變化不明顯[1]。當(dāng)稀土濃度設(shè)定為240g/L條件下，制備產(chǎn)品中的氯離子含量增加幅度明顯，并且稀土含量有所降低，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因在于底液濃度較高，反應(yīng)得到的沉淀產(chǎn)物晶化程度較低，由于產(chǎn)品晶化時(shí)間縮短，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有不利影響，并且由于稀土濃度大，容易降低生成沉淀的沉降性能，進(jìn)而造成氯離子吸附在產(chǎn)品表面。因此，實(shí)際利用碳酸氫銨-氨水沉淀劑制備按碳酸稀土?xí)r，要做到對(duì)稀土濃度的有效控制，以便保障產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 反應(yīng)時(shí)間與產(chǎn)品質(zhì)量間關(guān)系

反應(yīng)時(shí)間同樣對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有一定影響，在反應(yīng)溫度為40℃、并流料液內(nèi)稀土濃度為272g/L的條件下，制備得到的碳酸鑭產(chǎn)品指標(biāo)變化規(guī)律體現(xiàn)在以下幾方面：一是產(chǎn)品中的氯離子含量整體隨著反應(yīng)時(shí)間增加而降低，變化波動(dòng)不明顯；二是碳酸鑭產(chǎn)品中的稀土含量隨著反應(yīng)時(shí)間減少而逐漸降低，出現(xiàn)這一情況主要是因?yàn)椋?dāng)沉淀反應(yīng)時(shí)間縮短時(shí)，則表明混合沉淀劑的添加速度較快，在反應(yīng)過(guò)程中碳酸鑭顆粒成核速度快，導(dǎo)致部分沉淀還處于不固定形態(tài)，這種情況下產(chǎn)物吸水能力強(qiáng)，進(jìn)一步使得沉淀漿液中稀土含量偏低。從以上闡述可知，反應(yīng)時(shí)間快慢對(duì)產(chǎn)品中稀土含量有明顯影響，因此，應(yīng)加大對(duì)沉淀反應(yīng)時(shí)間的控制。

2.3 沉淀廢水回用與產(chǎn)品質(zhì)量間關(guān)系

實(shí)際進(jìn)行碳酸鑭產(chǎn)品制備時(shí)，為了減少沉淀廢水產(chǎn)量及提高廢水中氯離子含量，需要充分掌握沉淀廢水回用與產(chǎn)品質(zhì)量和廢水中氯離子含量間關(guān)系，進(jìn)而發(fā)揮碳酸氫銨-氨水沉淀劑方法在制備碳酸鑭上的應(yīng)用價(jià)值。將實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置為：底液中的稀土濃度為30g/L、反應(yīng)溫度40℃、反應(yīng)時(shí)間7h、沉淀劑濃度為7mol/L。在對(duì)碳酸鑭產(chǎn)品指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定分析時(shí)，可觀察到氯離子、氧化鈣和硫酸離子的含量隨著沉淀廢水使用次數(shù)的增多而增大，并且廢水中的氯化銨濃度隨之增大。當(dāng)沉淀廢水使用次數(shù)在3次以上時(shí)，則產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)趨于平衡。而沉淀廢水回收利用次數(shù)對(duì)產(chǎn)品中氧化鈉和氧化鐵的含量影響不大，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，這些產(chǎn)品指標(biāo)在反應(yīng)過(guò)程中趨于穩(wěn)定[2]。

2.4 產(chǎn)品物相結(jié)構(gòu)與形貌分析

利用碳酸氫銨-氨水混合沉淀劑來(lái)制備碳酸稀土?xí)r，本文主要將反應(yīng)溫度設(shè)定為40℃、反應(yīng)時(shí)間7h、底液內(nèi)稀土濃度為30g/L，在上述條件下進(jìn)行沉淀反應(yīng)，并對(duì)制備得到的碳酸鑭產(chǎn)品的物相結(jié)構(gòu)以及形貌進(jìn)行分析，利用X衍射測(cè)定儀器，能得到產(chǎn)品對(duì)應(yīng)圖譜，如圖1。結(jié)合圖譜分析結(jié)果表明：本次實(shí)驗(yàn)期間27.25d°、29.25°、以及34.9°處，均出現(xiàn)了La2(CO3)3·8H2O特征峰波的波動(dòng)變化，這表明產(chǎn)品內(nèi)主要組成成分為L(zhǎng)a2(CO3)3·8H2O，并且衍射峰體現(xiàn)出較尖銳的特點(diǎn)，說(shuō)明沉淀產(chǎn)品晶化反應(yīng)完全，可得到完整晶型。另外衍射圖譜中存在堿式碳酸鑭特征峰，說(shuō)明產(chǎn)品中包括堿式碳酸鑭成分。而對(duì)產(chǎn)品形貌進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其形貌呈現(xiàn)圓球狀，由多個(gè)不規(guī)則長(zhǎng)方體構(gòu)成，互相纏結(jié)成圓球狀，而長(zhǎng)方體則是由厚度各異的片狀體堆積成的[3]。

圖1 碳酸氫銨-氨水混合沉淀圖譜

3 結(jié)論

綜上所述，利用碳酸氫銨-氨水混合沉淀劑來(lái)制備碳酸鑭時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量主要受到稀土濃度、沉淀廢水回用和反應(yīng)時(shí)間等多種因素影響，為了提高碳酸鑭產(chǎn)品質(zhì)量，需要保證制備方案的合理制定。通過(guò)合理控制稀土濃度和反應(yīng)時(shí)間等，保證碳酸氫銨-氨水混合沉淀劑制備方法取得良好效果，進(jìn)一步提高制備效率、減少?gòu)U水產(chǎn)量，為碳酸稀土的制備提供借鑒。