從風化殼淋積型稀土礦除雜渣中酸浸稀土和鋁

何正艷，林展同，左 琴，周 潔，聶文蕊，常麗嘉，徐志高，池汝安

(1.中南民族大學 催化材料科學國家民委教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學 綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北 武漢 430073)

風化殼淋積型稀土礦中的稀土主要以水合或羥基水合離子形式吸附在黏土礦物表面，故利用電解質溶液，以離子交換方式便可輕易將稀土從固相轉移到液相，然后進一步回收[1-2]。但浸出過程中，除稀土外，礦石中的鋁、鐵、鎂、鈣等也會一起被浸出到溶液中[3-4]。這些雜質離子的存在會影響后續稀土沉淀物的純度，也會加大沉淀劑用量，并影響晶型碳酸稀土沉淀的形成，故必須在沉淀稀土之前，對浸出液進行除雜處理[5-6]。通常用碳酸氫銨調節浸出液pH至5.0～5.5，使鋁、鐵等雜質離子水解形成氫氧化物沉淀，而此條件下稀土不沉淀，通過固液分離可獲得稀土溶液和沉淀物，實現雜質離子分離[7-8]。該沉淀物即除雜渣，其中含氫氧化鋁20%～50%，碳酸稀土2%～6%；稀土含量遠高于天然礦石中的含量，且易溶于酸，回收難度和成本也遠低于天然礦石[9]。

試驗研究了用鹽酸處理含稀土固體除雜渣，并進一步優化稀土和鋁的酸浸條件。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

除雜渣取自江西定南某風化殼淋積型稀土礦加工廠，主要化學組成見表1，其中稀土(REO)質量分數約3.12%，Al2O3質量分數約29.01%。

表1 除雜渣的主要化學組成 %

除雜渣中的稀土有15種，逐個分析過于繁冗重復，試驗僅選擇占比較大的Y3+和La3+為重稀土和輕稀土代表，探索稀土酸浸規律，確定酸浸最佳工藝參數。同時，考察鹽酸對主要雜質離子Fe3+、K+、Mg2+的浸出效果，盡可能減少雜質離子浸出，進一步優化稀土和鋁的浸出條件。

1.2 試驗原理及方法

除雜渣中稀土以碳酸鹽形式存在，鋁以氫氧化物形式存在，二者均可用酸從固相溶解入液相，再通過分步沉淀法分步回收。常用的無機酸有硝酸、鹽酸和硫酸。硝酸價格較高且氧化性較強，對設備要求較高；而氯化稀土的溶解度大于硫酸稀土的溶解度，且鹽酸較硫酸能更有效地溶解稀土，因此選擇鹽酸作為浸出劑更合適。

鹽酸從除雜渣中浸出稀土和鋁的反應式為：

(1)

(2)

碳酸氫銨從酸浸液中分步沉淀稀土和鋁的化學反應式為：

(3)

(4)

高溫煅燒反應式為：

(5)

(6)

除雜渣與鹽酸溶液混合后置于恒溫水浴鍋中，在300 r/min速度下攪拌浸出。浸出結束后冷卻至室溫，用注射器抽取部分上層溶液，濾膜過濾后，用電感耦合等離子體質譜儀分析其中各元素質量濃度，并計算浸出率。所有酸浸試驗至少重復3次，所得浸出率取平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 鹽酸濃度對各元素浸出的影響

在液固體積質量比10/1、浸出溫度40 ℃、浸出時間30 min條件下，鹽酸濃度對各元素浸出率的影響試驗結果如圖1所示。可以看出，隨鹽酸濃度增大，各元素浸出率均提高，達到最大值后保持平衡。鹽酸濃度越大，與除雜渣中各物質反應的H+越多，反應越完全[10]；但鹽酸濃度進一步增大至H+相對過量，酸溶性物質已完全溶解進入溶液，浸出率不再提高[11]。鹽酸濃度為1 mol/L時：稀土和鋁基本浸出完全；K+最大浸出率較低，不高于10%；但Fe3+、Mg2+浸出率變化幅度較大。鹽酸濃度從0.5 mol/L增至6 mol/L， Fe3+浸出率從1.74%提高到61.59%。鹽酸濃度進一步增大，會顯著提高雜質離子浸出率，不利于后期稀土和鋁的回收及提純。此外，鹽酸濃度越大，其揮發性和腐蝕性越強，不利于生產，綜合考慮，確定適宜鹽酸濃度為1 mol/L。相同條件下，稀土浸出率一直高于鋁浸出率，這可能是稀土離子在溶液中穩定存在的pH范圍更寬的緣故，pH小于7.9即可，而鋁則要求pH小于3.5[12]。

—■—La3+；—●—Y3+；—▲—Al3+；—▼—Fe3+；—?—Mg2+；—◆—K+。圖1 鹽酸濃度對各元素浸出率的影響

2.2 浸出溫度對各元素浸出的影響

在液固體積質量比10/1、浸出時間30 min條件下，浸出溫度對各元素浸出率的影響試驗結果如圖2所示。

—■—La3+；—●—Y3+；—▲—Al3+；—▼—Fe3+；—?—Mg2+；—◆—K+。圖2 浸出溫度對各元素浸出率的影響

由圖2看出，溫度升高有助于各物質的浸出。溫度越高，離子熱運動越快，擴散性越強，即H+從溶液中擴散到除雜渣顆粒表面的速度與金屬離子從除雜渣擴散到溶液中的速度均增大，浸出速度加快，浸出率提高[13]。對于稀土的浸出：當鹽酸濃度較低，為0.1 mol/L時，溫度對其影響較大，隨溫度升高，La3+浸出率從65.21%提高至85.00%，Y3+浸出率從50.65%提高至66.10%；但隨鹽酸濃度增大，溫度對浸出的影響減弱，HCl濃度為1 mol/L時，升溫對浸出基本無影響。對于Al3+和雜質離子(Fe3+、K+、Mg2+)的浸出：鹽酸濃度較低時，溫度對浸出影響較小；隨HCl濃度增大，溫度的影響有增大趨勢；對Fe3+浸出的影響最明顯，HCl濃度為0.1 mol/L時，Fe3+浸出率隨溫度升高幾乎不變；HCl濃度為1 mol/L時，Fe3+浸出率隨溫度升高，從14.55%提高至56.11%。由此看來：升溫對稀土和鋁浸出的影響要弱于對雜質離子浸出的影響；溫度過高，會加劇HCl揮發，不利于生產和環保。綜合考慮，確定40 ℃為浸出適宜溫度。

2.3 液固體積質量比對各元素浸出的影響

在鹽酸濃度1 mol/L、浸出溫度40 ℃、浸出時間30 min條件下，液固體積質量比對各元素浸出的影響試驗結果如圖3所示。

—■—La3+；—●—Y3+；—▲—Al3+；—▼—Fe3+；—?—Mg2+；—◆—K+。圖3 液固體積質量比對各元素浸出率的影響

由圖3看出：隨液固體積質量比增大，各元素浸出率均有不同程度提高；但液固體積質量比增至10/1后，各元素浸出率基本保持不變。液固體積質量比越大，與除雜渣中各物質反應的H+越多，酸溶反應越徹底，浸出率越大[14]；而且，液固體積質量比越大，漿料黏度越小，外擴散阻力越小，有利于溶液中H+向除雜渣顆粒擴散，加快反應速度[15]；但液固體積質量比增至一定值后，相對于待酸溶物質，溶液中H+已過量，再增大液固體積質量比，各元素浸出率不再提高。因此，確定適宜的液固體積質量比為10/1，此時，Fe3+、K+、Mg2+浸出率均較低，不超過12%。

2.4 浸出時間對各元素浸出率的影響

在液固體積質量比10/1、鹽酸濃度1 mol/L、浸出溫度40 ℃條件下，浸出時間對各元素浸出率的影響試驗結果如圖4所示。

—■—La3+；—●—Y3+；—▲—Al3+；—▼—Fe3+；—?—Mg2+；—◆—K+。圖4 浸出時間對各元素浸出率的影響

由圖4看出，各元素浸出率均隨浸出時間延長而提高，達最大值后保持平衡。稀土及雜質離子(Fe3+、K+、Mg2+)的浸出速率均很快，10 min都達到平衡；而Al3+浸出相對較慢，30 min時才達到平衡。綜合考慮，確定適宜浸出時間為30 min，此條件下，雜質離子浸出率均較低，不超過12%。

2.5 沉淀稀土和鋁

從酸浸液中分步沉淀稀土和鋁。向酸浸液中添加質量濃度為100 g/L的碳酸氫銨溶液，至溶液pH在5.0～5.5之間，使鋁形成氫氧化鋁沉淀；固液分離后，濾渣經洗滌、高溫煅燒得氧化鋁產品，鋁回收率為46%；而含稀土濾液繼續向其中加入碳酸氫銨溶液，使溶液pH提高至6.5～8.0之間，稀土形成碳酸稀土沉淀[16]，過濾洗滌煅燒后得氧化稀土產品，稀土回收率為75%。

3 結論

用鹽酸從含稀土除雜渣中浸出稀土是可行的，其中的鋁也同時被浸出,適宜條件下，鑭、釔、鋁浸出率分別達85%、66%和48%。用100 g/L碳酸氫銨溶液調節溶液pH可沉淀鋁及稀土，二者回收率分別為46%和75%，且雜質含量較低。該方法簡單易行，稀土和鋁均得到回收。