稀土濕法治煉用石灰乳防沉降工藝研究

黃福藝，鐘聲彪，劉書文

（清遠市嘉禾稀有金屬有限公司，廣東 清遠 511517）

0 引言

稀土是門捷列夫元素周期表第三副族中原子序數從57 至71 的15 個鑭系元素即鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、钷（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、镥（Lu）和另外兩個與其電子結構和化學性質相近的鈧（Sc）、釔（Y）共17 個元素的簡稱。稀土具有特殊的物理和化學性質，在現代新興綠色能源技術、高新技術和國防體系中，稀土材料發揮著不可或缺的關鍵作用，如應用于電動汽車、風力發電機、照明與顯示、計算機硬盤驅動器、移動通訊、導彈制導、智能炸彈等方面，國際上稱這些技術為“稀土依賴性技術”。由于沒有其他材料可以替代，因此稀土材料成為實現技術、改造傳統產業不可缺少的戰略物資[1-4]。

原有稀土濕法冶煉過程中，使用堿性物質皂化有機相是必不可少的流程，前期采用氨水皂化，氨水皂化成本低，但皂化后產生的廢水中氨、氮含量高，不符合環保要求；后面改用液堿皂化，雖然廢水中氨、氮含量問題得以解決，但鹽分含量升高，且成本較高[5-6]。現為了兼顧環保與低成本改用石灰進行處理，但在實際生產中，提前備好的石灰乳溶液容易沉降，達不到需要效果，影響生產效率。因此，開發一種難沉降的稀土濕法治煉用石灰乳溶液具有廣闊的應用前景。

1 石灰乳防沉降工藝

1.1 防沉降處理裝置

在對稀土濕法治煉用石灰乳進行防沉降處理時需要使用到防沉降處理裝置，這種裝置包括第一攪拌槽、第二攪拌槽、第三攪拌槽、過濾結構、儲液箱、排液管、流量閥、電磁閥等主要結構，如圖1 所示。第一攪拌槽的底部設有過濾結構，可去除石灰乳溶液中的大顆粒不溶物；儲液箱、排液管、流量閥、電磁閥的設計，可方便控制氯化鑭溶液的添加，實現邊攪動邊添加的工藝，使氯化鑭溶液與石灰乳溶液充分接觸混合；第二攪拌槽的下料口底部安裝有下料結構，下料結構可用以單獨排出收集沉淀物，也可引導石灰乳溶液往第三攪拌槽方向輸送，既可排出及轉移第二攪拌槽底部的沉淀物，也可使石灰乳溶液順利流至第三攪拌槽，實現整體的自動化操作及工藝的連貫性；整體工藝及裝置的設計與配合，可有效防止石灰乳溶液出現沉降，通過處理裝置進行匹配工藝流程，可有效提高工作效率及防沉降效果。

圖1 防沉降處理裝置

1.2 石灰乳防沉降處理工藝步驟

對稀土濕法治煉用石灰乳進行防沉降處理工藝包括以下步驟：

1）調漿。往第一攪拌槽內的石灰中注入清水，并進行攪拌，制成石灰乳溶液；石灰中氫氧化鈣質量分數為89%～95%；將石灰乳溶液濃度控制在1.0～4.0 mol/L；保證石灰乳溶液中的堿性物質含量，以便后續進行堿性皂化。

2）使用過濾結構對石灰乳溶液進行過濾，去除大顆粒不溶物，濾出液轉移至第二攪拌槽內。

3）將石灰乳溶液于第二攪拌槽內沉降，沉降時間為2～5 min，使其初始的沉降物得以沉降分離。

4）去除第二攪拌槽底部的沉降物。

5）第二攪拌槽啟動，并同步往第二攪拌槽內添加氯化鑭溶液；第二攪拌槽的攪拌時長為5～10 min，在攪拌的過程中添加氯化鑭溶液；氯化鑭溶液與石灰乳溶液體積比為1∶80～1∶120，可通過邊攪拌邊加料的方式添加氯化鑭溶液，使得氯化鑭溶液與石灰乳溶液充分混合。

6）將混合完成后的石灰乳溶液轉移至第三攪拌槽內存儲，并設定時間進行間歇攪動，得到合格的石灰乳溶液。

防沉降處理工藝流程如圖2 所示。

圖2 石灰乳防沉降處理工藝流程圖

1.3 測試與表征

1.3.1 自由沉降試驗

本研究采用100 mL 量筒進行自由沉降試驗，為考察添加不同濃度的氯化鑭溶液對石灰乳沉降效果的影響，將氯化鑭溶液的濃度設定為0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L。測試方法：用攪拌器將量筒中溶液上下攪拌50 下，使石灰乳溶液分布均勻，用蒸餾水將攪拌器上殘留溶液清洗到量筒中，并用膠頭滴管滴定至100 mL。隨后依據試驗設定時間間隔記錄2 h 內上層清液與沉淀物分界面（即“泥線”）位置變化，往后每天記錄一次泥線位置變化，直至30 d，以確保其沉降穩定。繪制泥線-沉降時間曲線，每個濃度為一組，每組2 個平行試驗[7]。

1.3.2 Zeta 電位

Zeta 電位（Zetapotential），又叫電動電位或電動電勢，是指剪切面的電位。其是表征膠體分散系穩定性的重要指標。Zeta 電位的主要用途之一就是研究膠體與電解質的相互作用。根據DLVO 理論，Zeta 電位越高，顆粒之間的排斥力越強，則分散在液體之中的顆粒的穩定性越好，越不容易聚集[8-9]。

本試驗采用DT-310 微型電泳儀對石灰乳溶液進行Zeta 電位測試，以此考察添加不同濃度的氯化鑭溶液后石灰乳溶液的Zeta 電位。測試方法：使用電動攪拌器高速攪拌溶液15 min，靜置24 h 后，再高速攪拌5 min，用同濃度鹽溶液稀釋至氯化鑭質量分數為0.05%，取適量溶液進行Zeta 電位測試。

2 結果與討論

2.1 自由沉降試驗

圖3 給出了在不同濃度氯化鑭溶液中石灰乳溶液泥線位置隨時間的變化關系。由圖3 可知，在石灰乳溶液中加入氯化鑭溶液能明顯改善石灰乳溶液的沉降速率；不加入氯化鑭溶液時，石灰乳溶液在30 min時泥線位置下降約70%；而加入1.0 mol/L 的氯化鑭溶液后，石灰乳溶液在30 min 時泥線位置下降僅22%。隨著試驗時間的推移，石灰乳顆粒沉降速率增加，為更好地表征石灰乳溶液沉降規律，絮凝速率為絮凝階段的切線斜率，絮凝時間為絮凝階段與阻礙沉降階段曲線切線交點對應的時間[10]。

圖3 不同濃度氯化鑭溶液濃度對沉降的影響關系圖

絮凝時間與氯化鑭濃度的關系如圖4 所示。由圖4 可知，隨著氯化鑭濃度的增加，石灰乳溶液絮凝速率不斷減小，絮凝時間也隨濃度的增加而增大，說明石灰乳溶液沉降的性能得到明顯的改善。

圖4 絮凝時間與氯化鑭溶液濃度關系

2.2 Zeta 電位試驗

石灰乳顆粒/絮體表面電荷越大，顆粒/絮體間由于電荷的排斥力，污泥越穩定地懸浮于溶液中，即沉降性能越差。反之，石灰乳顆粒/絮體表面電荷越小，表明石灰乳顆粒/絮體脫穩聚結成團，沉降性能越好[11]。Zeta 電位值反映了石灰乳顆粒/絮體表面電荷量，因此可用于評價石灰乳的沉降性能。圖5 為石灰乳在不同濃度氯化鑭溶液中的Zeta 電位試驗結果。從圖5 可知，石灰乳在蒸餾水中電位值為-28.36 mV，隨氯化鑭溶液濃度的增加，Zeta 電位絕對值不斷增大。當濃度為1.0 mol/L 時，電位為-40.18 mV。說明加入氯化鑭溶液后，體系變得更穩定，沉降性能得到改善，和自由沉降試驗的結論一致。

圖5 Zeta 電位與氯化鑭溶液濃度關系

3 結論

1）在石灰乳溶液中加入氯化鑭溶液能明顯改善石灰乳溶液的沉降速率。隨著氯化鑭濃度的增加，石灰乳溶液絮凝速率不斷減小，絮凝時間也隨氯化鑭濃度的增加而增大，石灰乳溶液沉降的性能得到明顯的改善。

2）加入氯化鑭溶液后，體系變得更穩定，隨氯化鑭溶液濃度的增加，Zeta 電位絕對值不斷增大，石灰乳溶液沉降性能得到改善。