稀土冶煉廢水沉淀物中提取稀土試驗研究

鐘聲彪，劉書文，黃福藝

（清遠市嘉禾稀有金屬有限公司，廣東 清遠 511517）

0 引言

稀土元素是一種具有特殊物理化學性質的元素，廣泛應用于電子、光學、磁性材料等高科技領域[1]。稀土元素生產過程中會產生大量含稀土廢水，如果這些稀土元素能夠有效地提取出來，不僅可以減少環境污染，還可以實現資源的再利用，更重要的是促進環境保護和可持續發展[2-3]。稀土冶煉廢水中的稀土元素主要以沉積物的形式存在，對環境造成一定程度的破壞。因此，研發高效的稀土提取技術，如何從稀土冶煉廢水沉積物中提取稀土元素，減少資源浪費和環境污染，具有重要的意義[4-5]。本文提出焙燒預處理—鹽酸浸出工藝提取稀土冶煉煉廢水沉淀物中的稀土元素。

1 試驗分析

1.1 試驗原料及試劑

本次試驗所用稀土冶煉廢水沉淀物由清遠市嘉禾稀有金屬有限公司提供，試驗原料中稀土質量占比為29.85%，從原料稀土配分可知，稀土中w（La2O3）為37.85%、w（Nd2O3）為40.22%、w（Pr2O3）為16.45%，原料稀土中以釹、鑭、鐠為主。原料化學成分情況如表1所示。所用鹽酸AR（分析純）500 mL，來源國藥集團化學試劑有限公司。

表1 試驗原料化學成分

1.2 試驗設備

采用草酸鹽重量法測定稀土冶煉廢水沉淀物中混合徜徉金屬中的稀土總量，采用電感耦合等離子體質譜儀測定稀土配分。采用電感耦合等離子體質譜儀測定（ICP-MS，iCAP Q 美國賽默飛世爾公司），在箱式電阻爐（Blmt 實驗室箱式電阻爐，鄭州賽熱達窯爐有限公司）中進行焙燒預處理，浸出采用恒溫水浴攪拌器（YK120-SD 恒溫水浴攪拌器，廣州達優絲貿易商行）進行。

1.3 試驗原理與方法

1.3.1 樣品收集

從稀土冶煉廠的廢水處理系統中收集廢水沉淀物樣品，并進行初步的物理分離處理，獲得干燥的沉淀物樣品。

1.3.2 焙燒預處理

將干燥的沉淀物樣品置于烘箱中，在一定溫度下進行烘烤預處理。通過控制烘烤溫度和時間，使沉淀物中的草酸鹽、碳酸鹽、結晶水得以揮發和分解，為后續的浸出過程提供條件。其中主要化學反應為MC2O4·nH2O（M代表Ca、Fe、A1、RE 等金屬）分解成為MC2O4和H2O，MC2O4分析成為MCO3和CO，MCO3再次分解為MO 和CO2。

1.3.3 鹽酸浸出

將經過烘烤預處理的沉淀物樣品在一定條件下與鹽酸進行反應。通過調節浸出劑的濃度、溫度、浸出時間和液固比等參數，使稀土元素從沉淀物中轉移到溶液中。然后經過過濾和沉淀等步驟，分離溶液中的稀土元素。該過程中主要發生的化學反應為REO+HCl→RECl3+H2O。

1.3.4 分析測試

對提取得到的稀土溶液進行化學分析和元素含量測試，使用常見的分析方法如原子吸收光譜法、電感耦合等離子體發射光譜法等，確定提取過程中稀土的回收率和純度。

2 試驗結果與討論

2.1 廢水沉淀物的焙燒預處理

對稀土冶煉廢水沉淀物進行差熱、熱重分析，得到水沉淀物的差熱、熱重曲線。從試驗結果可知：差熱曲線在419 ℃存在一個放熱峰，在182 ℃和775 ℃各存在一個吸熱峰；熱重曲線表明廢水沉淀物焙燒過程為吸熱過程，當溫度升高至775 ℃時沉淀物質量保持恒定，表明廢水沉淀物中的草酸鹽或碳酸鹽已完成轉變為氧化物。根據廢水沉淀物進行差熱、熱重曲線可知，本次試驗的焙燒預處理溫度確定在790 ℃較為合適。

2.2 稀土元素的浸出試驗

2.2.1 鹽酸濃度對稀土浸出的影響

確定攪拌速度、浸出時間、液固體積質量比、浸出溫度等試驗條件一致情況下，采用不同鹽酸濃度（2、3、4、5、6 mol/L）進行試驗。

試驗結果表明：當鹽酸濃度從2 mol/L 增加至6 mol/L 過程中，稀土浸出率表現為先增大后趨于穩定的趨勢，當鹽酸濃度為3 mol/L 時，稀土浸出率達到99.02%，再次增加鹽酸濃度后稀土浸出率基本無變化。綜合其他因素，本次試驗確定最佳鹽酸濃度為4 mol/L。

2.2.2 浸出時間對稀土浸出率的影響

確定鹽酸濃度4 mol/L，攪拌速度、液固體積質量比、浸出溫度等試驗條件一致情況下，采用不同浸出時間（0.25、0.50、1.00、1.50、2.00 h）進行試驗。

試驗結果表明：當浸出時間從0.25 h 增加至2.00 h 過程中，稀土浸出率表現為先增大后趨于穩定趨勢，浸出時間為0.50 h 時稀土浸出率達到99.08%。綜合生產效率因素，本次試驗確定的最佳浸出時間為0.50 h。

2.2.3 液固體積質量比對稀土浸出率的影響

確定鹽酸濃度為4 mol/L，浸出時間為0.5 h，浸出溫度、攪拌速度等試驗條件一致情況下，采用不同液（mL）固（g）比（2∶1、4∶1、6∶1、8∶1、10∶1）進行試驗，結果如圖1 所示。

圖1 液固體積質量比對稀土浸出率的影響結果

試驗結果表明：當液固比從2∶1 增加至10∶1過程中，稀土浸出率表現為先增大后趨于穩定的趨勢，當液固比為4∶1 時稀土浸出率達到98.99%，再次增加液固體積質量比后稀土浸出率基本無變化，本次試驗確定的最佳液固比為4∶1。

2.2.4 浸出溫度對稀土浸出率的影響

確定鹽酸濃度為4 mol/L，浸出時間為0.5 h，液固比為4∶1，攪拌速度等試驗條件一致的情況下，采用不同的浸出溫度（40、50、60、70、80、90 ℃）進行試驗，試驗結果如圖2 所示。

圖2 浸出溫度對稀土浸出率的影響結果

試驗結果表明：當浸出溫度從40 ℃增加至90 ℃過程中，稀土浸出率表現為整體增大趨勢，當浸出溫度上升為60 ℃時稀土浸出率達到92.33%，當浸出溫度上升為80 ℃時稀土浸出率達到99.21%，幾乎完全浸出，再次增加浸出溫度后稀土浸出率無變化。綜合考慮，本次試驗確定的最佳浸出溫度為80 ℃。

2.2.5 攪拌速度對稀土浸出率的影響

確定鹽酸濃度為4 mol/L，浸出時間為0.5 h，液固比為4∶1，浸出溫度為80 ℃的試驗條件下，采用不同的攪拌速度（200、300、400、500、600 r/min）條件下進行試驗。

試驗結果表明：當攪拌速度從200 r/min 增加至600 r/min 過程中，稀土浸出率表現為整體增大趨勢，當攪拌速度上升為400 r/min 時稀土浸出率達到99.21%，幾乎完全浸出，再次增加攪拌速度后稀土浸出率無太大變化。綜合考慮，本次試驗確定的最佳攪拌速度為400 r/min。

3 結論

本文采用焙燒預處理—鹽酸浸出工藝對稀土冶煉廢水沉淀物中提取稀土進行試驗研究，研究了浸出時間、浸出溫度、鹽酸濃度、液固體積質量比等因素對浸出率的影響，確定了該工藝的最佳工藝參數，稀土冶煉廢水沉淀物中稀土浸出率可達99.22%，浸出效果較好，有效改進了稀土冶煉廢水處理和提取稀土的效率。