從廢棄熒光粉中浸出稀土及其動(dòng)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(dòng)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)反應(yīng)設(shè)備要求高，而且對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(dòng)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。

［1］涂雅潔，王霞輝，梅光軍，等．從廢棄稀土熒光粉中萃取分離Y和Eu［J］．現(xiàn)代礦業(yè)，2012（8）：29-31．

［2］毛林春，曾斌，余攀，等．從廢棄熒光粉中提取稀土試驗(yàn)研究［J］．濕法冶金，2013，32（6）：395-397．

［3］傅麗．廢舊稀土熒光燈中稀土金屬分離試驗(yàn)的研究［D］．北京：首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，2008：11-12．

［4］李洪枚．從廢稀土熒光粉中酸浸回收稀土的研究［J］．稀有金屬，2010，34（6）：898-904．

［5］Takahashi Tooru，Takano Aketomi，Saito Takayuki，et al．Separation and Recovery of Rare Earth Elements From Phosphor Sludge in Processing Plant of Waste Fluorescent Lamp by Pneumatic Classification and Sulfuric Acidic Leaching［J］．Journal of the Mining and Materials Processing Institute of Japan，2001，117（7）：579-585．

［6］Takahashi Tooru，Takano Aketomi，Saito Takayuki，et al．Synthesis of Red Phosphor （Y2O3，Eu3＋）From Waste Phosphor Sludge by Coprecipitation Process［J］．Journal of the Mining and Materials Processing Institute of Japan，2002，118（6）：413-418．

［7］李洪枚．用硫酸從廢舊稀土熒光粉中浸出稀土［J］．濕法冶金，2010，29（3）：188-190．