太平洋中部深海粘土中稀土钇的酸浸研究.pdf
太平洋中部深海粘土中稀土钇的酸浸研究 ① 刘志强1,2,3, 吴宇坤1,3, 张魁芳1,2, 朱 云3, 朱克超4, 李 伟1,2, 朱 薇1,2 (1.广东省稀有金属研究所,广东 广州 510650; 2.广东省稀土开发及应用重点实验室,广东 广州 510650; 3.昆明理工大学 冶金与能源工程学院,云南 昆明 650093; 4.广州海洋地质调查局, 广东 广州 510075) 摘 要 对深海粘土中稀土元素钇的酸浸过程进行了探讨,考察了酸种类、酸浓度、液固比、浸出时间、浸出温度等因素对深海粘土 中稀土元素钇浸出的影响。 结果表明盐酸与硝酸浸出效果相近,均明显优于硫酸;最佳浸出条件为盐酸浓度 2 mol/ L、液固比 4∶1、温度 60 ℃、浸出时间 60 min,此时钇浸出率可达 94.53%。 关键词 深海粘土; 稀土; 钇; 酸浸 中图分类号 TF845文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2017.03.024 文章编号 0253-6099(2017)03-0094-03 Acid Leaching of Rare Earth Yttrium in Pelagic Clay from Central Pacific Ocean LIU Zhi-qiang1,2,3, WU Yu-kun1,3, ZHANG Kui-fang1,2, ZHU Yun3, ZHU Ke-chao4, LI Wei1,2, ZHU Wei1,2 (1. Guangdong Province Research Institute of Rare Metals, Guangzhou 510650, Guangdong, China; 2. Guangdong Province Key Laboratory of Rare Earth Development and Application, Guangzhou 510650, Guangdong, China; 3.School of Metallurgy and Energy Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, Yunnan, China; 4.Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510075, Guangdong, China) Abstract Acid leaching of rare earth Y from deep-sea clay was discussed. Effects of several factors, including acid type, acid concentration, liquid-solid ratio, leaching temperature and time, on leaching rate of rare earth Y were investigated. It is found that both hydrochloric acid and nitric acid have the similar leaching effects, better than sulfuric acid. Under the optimum leaching conditions, including hydrochloric acid concentration at 2 mol/ L, liquid-solid ratio at 4∶1, leaching temperature at 60 ℃ and leaching time of 60 min, the leaching rate of Y reaches 94.53%. Key words deep-sea clay; rare earth; yttrium; acid leaching 稀土元素是高新材料的必备元素。 近年来,随着 国家大力促进高新技术领域发展,稀土需求量增大,陆 地稀土资源开发利用加快,已濒临枯竭。 许多国家开 始寻找其他资源出路,将注意力转向海洋稀土资源。 根据调查发现,国际海底区域深海粘土中赋存丰富的 稀土元素,有望成为未来新兴的稀土资源[1-5]。 广州海洋地质调查局开展了太平洋稀土资源调 查,其“海洋六号”船从太平洋中部采集深海粘土样 品,对样品的检测分析表明粘土样品中主要的有价矿 物是磷灰石,同时磷灰石中赋存着稀土钇,具有重要的 开发利用价值。 目前,国外虽然有部分关于从陆地资 源含磷矿石中回收稀土的研究报道[6-10],但针对深海 粘土磷灰石矿物中稀土钇浸出未见相关报道。 本文针 对深海粘土中稀土元素钇的浸出工艺开展研究,并系 统考察了浸出过程各影响因素对浸出的作用规律。 1 实 验 1.1 实验原料及试剂 稀土原料为太平洋中部采集的 REGC010 柱状样 深海粘土样品,相关成分及矿物组成如表 1~4 所示。 样品 XRD 分析见图 1。 主要试剂盐酸、硫酸、硝酸均 为分析纯试剂。 表 1 深海粘土成分(质量分数) / % SiO2TiO2Al2O3Fe2O3MnMgOCaO Na2O K2O P2O5TREO1) 50.630.6315.577.031.033.381.965.573.130.94798.13 1) 单位为 g/ t。 ①收稿日期 2016-12-23 基金项目 广东省科技计划项目(2015B010105010,2016B070701022,2016B090931003);中国地质调查局 GZH201100303-05 大洋调查与研究项目 作者简介 刘志强(1973-),男,湖北赤壁人,教授级高级工程师,主要研究方向为有色冶金。 第 37 卷第 3 期 2017 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.37 №3 June 2017 万方数据 表 2 深海粘土中稀土元素配分结果(质量分数) / % LaCePrNdSmEuGdTb 12.5812.033.9417.714.110.884.350.73 DyHoErTmYbLuY 4.230.952.540.362.190.3433.07 表 3 深海粘土中主要矿物类别及相对含量(质量分数) / % 粘土钙沸石独居石石英长石磷灰石水羟锰矿 岩盐 79.2516.660.000 50.650.562.380.190.1 表 4 各元素在不同矿物成分中的分配/ % 矿物AlFeMgMnNaCaPCeNdYTh 粘土78.81 92.43 93.52 88.74 57.74 47.46 27.760000 钙沸石20.066.865.92.0336.443.250.270000 独居石0000000.0111.490.540100 石英00000000000 长石1.090001.42.6500000 磷灰石0.030.080.4601.3846.19 71.82 88.51 99.46 1000 岩盐00002.98000000 水羟锰矿 0.010.630.119.230.060.450.120000 20406080100 2 / θ 石英 沸石 岩盐 磷灰石 ● ● ● ● ● ● ● ○ ○ ○ ○ ▲ ▲ △ △ △ 图 1 深海粘土的 XRD 图谱 从表1 和表2 可以看出,REGC010 柱状样深海粘土 样品中稀土含量较高,其中主要以钇为主的中重稀土元 素含量最高。 从图 1 及表 3 可以看出,深海粘土主要由 粘土、沸石、磷灰石、锰矿物、石英、石盐等组成,其中的 主要有价矿物为磷灰石、水羟锰矿及独居石。 从表 4 可以看出,稀土元素钇赋存于磷灰石中。 为此,本文提 出采用酸浸的方式破坏磷灰石结构,浸出其中的钇。 1.2 实验方法 取三口瓶置于恒温水浴锅中并固定装置。 称量深 海粘土加入三口瓶中,并加入酸溶液,开启搅拌,反应 结束后,停止搅拌并过滤、洗涤。 收集滤液,并烘干滤 渣,分别检测滤液及滤渣中钇浓度,计算钇浸出率。 通 过控制不同实验条件,研究酸种类、酸浓度、浸出温度、 浸出时间、液固比等实验参数对钇浸出率的影响。 1.3 分析检测 矿石的物相晶型采用 X 射线衍射仪(日本理学 D/ MAX1200)分析;元素含量采用化学法及 ICP 法 (XSP 电感耦合等离子光谱发射仪)测定;工艺矿物学 采用工艺矿物学参数自动定量分析系统检测(澳大利 亚昆士兰大学 MLA)。 2 实验结果与讨论 2.1 酸种类对深海粘土中稀土钇浸出率的影响 固定 H浓度2 mol/ L,液固比 4 ∶1,浸出温度 60 ℃, 浸出时间60 min,研究 HCl、H2SO4、HNO3对深海粘土中 稀土钇浸出率的影响,结果如表 5 所示。 从表 5 可以看 出,在相同浸出条件下,H2SO4的浸出效果明显劣于 HCl 和 HNO3。 主要原因是在硫酸浸出过程中,硫酸根 会与钙离子形成硫酸钙。 由于硫酸钙的共晶和吸附作 用,磷酸钇易被吸附或包裹进入硫酸钙中,阻碍浸出过 程进行。 南非、波兰的 Phalaborwa 磷灰石及俄罗斯科 拉磷矿采用硫酸法处理过程中,均发现分别有 85%和 70%的稀土进入 CaSO42H2O[11-12],导致浸出效果受 到影响。 由于盐酸和硝酸浸出效果相近,从酸成本、腐 蚀性及安全性考虑,优先选择盐酸作为浸出剂。 表 5 酸种类对钇浸出率的影响/ % 酸种类钇浸出率/ % 硫酸86.60 盐酸94.53 硝酸95.45 2.2 盐酸浓度对深海粘土中稀土钇浸出率的影响 浸出时间 60 min、液固比 4 ∶1,室温条件下,盐酸 浓度对深海粘土中稀土钇浸出率的影响如图 2 所示。 由图2 可知,钇浸出率随着 HCl 浓度增加而增加,并在 2.0 mol/ L 左右趋于平缓。 由之前分析可知,深海粘土 中的稀土元素钇主要以磷酸盐形式赋存,磷酸钇在水 中的溶度积很小,Ksp仅为 110-23左右[13],仅可溶于强 酸,浸出酸度增加有利于磷酸钇的溶解。 综合考虑,选 取盐酸浓度为 2 mol/ L。 HCl浓度/mol L-1 ■ ■ ■ ■■ 100 80 60 40 20 0 0.51.51.02.52.03.03.54.0 浸出率/ 图 2 钇浸出率与 HCl 浓度的关系 59第 3 期刘志强等 太平洋中部深海粘土中稀土钇的酸浸研究 万方数据 2.3 浸出温度对深海粘土中稀土钇浸出率的影响 HCl 浓度 2 mol/ L、浸出时间 60 min、液固比 4 ∶1, 浸出温度对深海粘土中稀土钇浸出率的影响如图 3 所 示。 由图 3 可知,钇浸出率随着温度升高而增加,当温 度达到 60 ℃以后,钇浸出率趋于平稳。 若继续提高温 度,深海粘土中稀土钇浸出率反而略有下降,这主要 是随着温度升高,盐酸挥发加快,导致浸出液中游离 酸度降低,根据溶解平衡,一部分钇与磷酸根结合以磷 酸钇形式析出,浸出率反而略有下降。 温度升高,能耗 明显增加,而且加快设备腐蚀,综合考虑,浸出温度选 择 60 ℃为宜。 浸出温度/℃ ■ ■ ■ ■ ■ 100 80 60 40 20 0 304060507080 浸出率/ 图 3 钇浸出率与浸出温度的关系 2.4 液固比对深海粘土中稀土钇浸出率的影响 浸出时间 60 min、盐酸浓度 2 mol/ L、浸出温度 60 ℃,液固比对深海粘土中稀土钇浸出率的影响如图 4 所示。 由图 4 可知,钇浸出率随着液固比增大呈先 增大后下降趋势,在液固比为 4 ∶1时,浸出率达到最 大。 为此,选择液固比为 4∶1。 液固比 ■ ■ ■ ■ ■ 100 80 60 40 20 0 23456 浸出率/ 图 4 钇浸出率与液固比的关系 2.5 浸出时间对深海粘土中稀土钇浸出率的影响 HCl 浓度2 mol/ L、液固比4∶1、浸出温度60 ℃,浸 出时间对深海粘土中稀土钇的浸出率的影响如图 5 所 示。 由图 5 可知,钇浸出率随着时间延长而增加,并逐 渐趋于平稳,在 60 min 时达到最大值。 若继续增加浸 出时间,浸出率反而略有降低。 这主要是由于开始阶 段,随着浸出时间延长,浸出反应更为充分,所以浸出 率提高,当浸出时间超过 60 min 后,由于盐酸易挥发, 反应时间过长,挥发导致浸出液中游离酸度降低,根据 溶解平衡,一部分钇与磷酸根结合以磷酸钇形式析出, 浸出率反而略有下降。 因此,选择浸出时间为 60 min。 浸出时间/min ■■ ■ ■ ■ 100 80 60 40 20 0 020406080100120 浸出率/ 图 5 钇浸出率与浸出时间的关系 2.6 优化条件实验 按单因素条件实验确定最佳条件为HCl 浓度 2 mol/ L,浸出时间 60 min,浸出温度60 ℃,液固比4∶1。 在此条件下进行试验,反应后过滤并充分洗涤,将滤液 收集于 250 mL 容量瓶中定容。 实验结果如表 6 所示。 表 6 优化条件实验结果 质量/ g钇品位/ % 原料浸出渣原料浸出渣 浸出液体积 / mL 钇浓度 / (gL -1 ) 浸出率 / % 5035.620.035 90.002 72500.067 994.53 3 结 论 1) 太平洋中部 REGC010 柱状样的深海粘土样品 中重稀土含量较高,尤其钇含量最高。 钇几乎全部赋 存于磷灰石中,需通过破坏磷灰石结构从而浸出其中 的钇。 2) 用等 H浓度的盐酸、硝酸、硫酸浸出钇,H2SO4 的浸出效果明显劣于 HCl 和 HNO3,而 HCl 与 HNO3 浸出效果相近,综合考虑成本、腐蚀性及安全性,选择 盐酸作为酸浸出剂。 3) HCl 溶液浸出深海粘土中钇的最佳工艺条件为 HCl 浓度 2 mol/ L、浸出温度 60 ℃、搅拌时间 60 min、 液固比 4∶1,此时钇浸出率可达 94.53%。 参考文献 [1] 杨斌清,张贤平. 世界稀土生产与消费结构分析[J]. 稀土, 2014, 35(1)110-118. [2] Toyoda K, Nakamura Y, Masuda A. Rare earth elements of Pacific pelagic sediments[J]. Geochim Cosmochim Acta, 1990,54(4)1093-1103. (下转第 100 页) 69矿 冶 工 程第 37 卷 万方数据 精矿品位(Y)与配碳量(X1)、碳酸钠用量(X2)、还原 温度(X3)、保温时间(X4)、磨矿时间(X5)、磁场强度 (X6)的关系式如式(2)所示,模型显著性检验结果如 表 9 所示。 Y=78.91.25X10.24X20.000 4X1X6 0.01X3X4-0.011X4X5(2) 表 9 回归模型显著性分析结果 相关系数FF0.01(5,1)PSSe 0.989 7564.8230.160.0240.421 6 由表 9 可以看出,与二次回归正交设计相似,无论 是通过 F 值检验还是 P 值检验,回归模型均非常显 著。 为确定最优条件,对回归模型(2)求偏导并将结 果代入原编码水平可得当碳含量 21.43%、碳酸钠含 量 14.79%、焙烧温度1 277 ℃、保温时间127 min、磨矿 时间 51 s、磁场强度 238 mT 时,可获得铁精矿品位 91.22%的理论值。 为验证模型的可靠性,在上述优化 条件基础上进行了实验室试验,3 次试验最终铁精矿品 位平均值为 88.75%,与理论值相比,相对误差为 2.9%, 此时精矿中铁回收率为 83.62%,说明由均匀试验设计 所建立模型也有一定的预测性,具有实际应用价值。 3 结 论 1) 二 次 回 归 正 交 试 验 结 果 表 明 当 配 碳 量 21.12%、碳酸钠含量 11.55%、焙烧温度 1 280 ℃、保温 时间 130 min、磨矿时间 55 s、磁场强度 238 mT 时,可 获得精矿铁品位 90.13%、回收率 81.77%的选别指标。 2) 均匀设计试验结果显示当配碳量 21.43%、碳 酸钠含量14.79%、焙烧温度 1 277 ℃、保温时间 127 min、 磨矿时间 51 s、磁场强度 260 mT 时,可获得精矿铁品 位 88.75%、回收率 83.62%的选别指标。 3) 二次回归和均匀设计所建立的数学模型均具 有较好的预测性能,在以精矿品位为响应值的前提下, 2 种设计方法所取得的结果均优于单因素试验,且二 次回归所取得结果优于均匀设计,这可能是因为在本 试验中均匀设计的样本量远小于二次回归试验设计, 从而导致模型的代表性不够,但均匀设计试验量少的 特点在费用较高的试验中也可转化为优点。 参考文献 [1] 鞠会霞,孙体昌,赵贵军. 鲁南矿业公司铁尾矿深度还原-磁选提 铁试验[J]. 金属矿山, 2015(8)169-172. [2] 倪 文,贾 岩,徐承焱,等. 难选鲕状赤铁矿深度还原-磁选实验 研究[J]. 北京科技大学学报, 2010,32(3)287-291. [3] 袁致涛,马玉新,李庚辉,等. 某铁尾矿再回收铁矿物试验研究 [J]. 矿冶工程, 2016,36(4)37-44. [4] 孙永升,韩跃新,高 鹏,等. 高磷鲕状赤铁矿石深度还原探索性 试验研究[J]. 矿冶工程, 2015,35(5)68-71. [6] 石 磊,张振巍. 二次回归正交设计法优选黄芩苷醇提工艺[J]. 中药材, 2011,34(12)1946-1950. [7] 张光杰,付 亮,李园园. 二次回归正交设计优化鸡蛋壳制备柠檬 酸-苹果酸钙工艺研究[J]. 中国食品添加剂, 2011(1)111-115. [8] 周纪芗. 实用回归分析方法[M]. 上海上海科学技术出版社, 1990. [9] 李云雁, 胡传荣. 试验设计与数据处理(第 2 版)[M]. 北京化学 工业出版社, 2008. 引用本文 刘明宝,杨超普,阎 赞,等. 基于二次回归正交设计及均匀 设计的柞水菱铁尾矿最佳回收工艺参数[J]. 矿冶工程, 2017,37(3) 97-100. �������������������������������������������������������������������������������������������������� (上接第 96 页) [3] 张霄宇,邓 涵,张富元,等. 西太平洋海山区深海软泥中稀土元素 富集的地球化学特征[J]. 中国稀土学报, 2013,31(6)729-737. [4] Yasuhiro Kato, Koichiro Fujinaga, Kentaro Nakamura, et al. Deep- sea mud in the Pacific Ocean as a potential resource for rare-earth ele- ments[J]. Nat Geosci, 2011,4(8)535-539. [5] De Baar H J W, Bacon M P, Brewer P G, et al. Rare earth elements in the Pacific and Atlantic oceans[J]. Geochim Cosmochim Acta, 1985,49(9)1943-1959. [6] 王良士,龙志奇,黄小卫,等. 湿法磷酸生产过程中控制稀土走向 的研究[J]. 中国稀土学报, 2008,26(3)307-312. [7] 冯林永,蒋训雄,汪胜东,等. 磷酸浸出渣中提取稀土的研究[J]. 有色金属(冶炼部分), 2014(8)34-38. [8] 龙志奇,王良士,黄小卫,等. 磷矿中微量稀土提取技术研究进展 [J]. 稀有金属, 2009,33(3)434-441. [9] 崔文鹏,孙泽炼,周骏宏,等. 织金磷矿中伴生稀土的提取研究 [J]. 稀土, 2014,35(4)42-46. [10] 王良士,龙志奇,黄小卫,等. 磷酸体系中微量稀土元素萃取回收 技术研究[J]. 中国稀土学报, 2009,27(2)228-233. [11] 齐 焉. 2004 年全国硫酸磷肥生产情况[J]. 硫酸工业, 2005 (2)11-14. [12] Jarosiski A, Kowalczyk J, M azanek Cz. Development of the Polish waste less technology of apatite phosphogypsum utilization with recov- ery of rare earths[J]. Journal of Alloys and Compounds, 1993,200 (1-2)147-150. [13] 徐光宪. 稀土[M]. 北京冶金工业出版社, 1995. 引用本文 刘志强,吴宇坤,张魁芳,等. 太平洋中部深海粘土中稀土钇 的酸浸研究[J]. 矿冶工程, 2017,37(3)94-96. 001矿 冶 工 程第 37 卷 万方数据