从广西某赤泥中盐酸浸出钪实验研究①

罗 星， 马荣锴， 李 勇， 卢美玲， 冯吉福

（中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西 桂林541004）

钪在元素周期表中位于第四周期第Ⅲ副族，被称为广义稀土元素。 由于钪特殊的物理化学性质，主要应用于制备固体氧化物燃料电池（SOFC）、铝钪合金和钪钠卤灯等方面［1-2］。 其中75%～80%的钪伴生在铝土矿中，在氧化铝生产过程中98%以上的钪都富集到赤泥中，因此赤泥是最丰富的钪资源［3］。

从赤泥中回收钪［4-9］主要采用酸性体系（硫酸或盐酸体系）［10-11］。 本文在盐酸体系下，以脱出铝钠铁后的赤泥为原料，采用搅拌浸出方式，开展了钪浸出实验研究，为赤泥中钪的提取提供依据。

1 实 验

1.1 实验原料、主要药剂与仪器

赤泥采自广西某拜耳法氧化铝厂压滤车间，赤泥经过“铝钠回收（亚熔盐法）-还原焙烧-磁选回收铁”工艺处理后得到本实验原料。 该原料主要成分见表1。 从表1 可知，该原料主要含Ca、Si、Al 和Ti，其中Sc 含量为0.01%。 原料XRD 图谱见图1。 从图1 可知原料中主要物相为Ca2SiO4和Ca3Al2O6。

主要药剂为盐酸（分析纯），实验用水为自来水。主要仪器包括三口烧瓶、水浴锅和搅拌机。

表1 原料化学成分分析结果（质量分数）／%

图1 原料XRD 图谱

1.2 实验方法

将浓盐酸稀释至实验所需的摩尔浓度，并量取所需体积待用；将恒温水浴锅预热至实验温度，将100 g实验原料与一定浓度的盐酸倒入烧瓶中，同时打开搅拌机并开始计时；达到预定的反应时间后，将烧瓶取出，抽滤，滤渣用水洗涤3 次，烘干后用于化验。

1.3 实验原理

原料中主要物相为Ca2SiO4和Ca3Al2O6，还有残余的Fe2O3，在盐酸体系下，主要发生以下反应：

2 实验结果与讨论

2.1 浸出时间

从原料的特性分析，在盐酸体系下，原料与盐酸的化学反应大致可以分为3 个阶段。 第一阶段：盐酸与原料中的含钙矿物（Ca2SiO4和Ca3Al2O6）先发生化学反应，消耗体系中大部分盐酸，并产生气体和放出热量，原料颗粒减小；第二阶段：随着反应的进行，盐酸与原料中残存的铁或者氧化铁反应，可以看见溶液发生明显的颜色变化，由前期的无色溶液逐渐变为淡黄色，直至变为深黄色，在该阶段中赋存于铁矿物中的钪得到浸出；第三阶段：以类质同象形式赋存于矿物中的钪得到浸出，包括部分金红石中的钪。 其中第一阶段的反应速度大大快于后面两个阶段，反应也较为彻底；第二阶段和第三阶段反应次序无明显界限，但含铁矿物的浸出速度还是优于钪的浸出速度。

控制矿浆浓度16.67%（液固比为5 ∶1）、温度80 ℃、盐酸浓度6 mol／L 和适宜的搅拌强度，进行了浸出时间条件实验，结果见图2。 从图2 可知，随着浸出时间延长，钪浸出率逐步提高，但是到4 h 后钪浸出趋于平衡，再延长时间对钪浸出率影响不明显，考虑到生产效率，选择最佳浸出时间为4 h。

图2 浸出时间对钪浸出率的影响

2.2 浸出温度

浸出时间4 h，其他条件不变，进行了浸出温度条件实验，结果见图3。 从图3 可以看出，浸出温度对钪浸出率影响明显，当浸出温度从20 ℃升高到80 ℃时，钪浸出率从35%提高到63%，虽然进一步提高温度有可能提高钪浸出率，但考虑到生产条件和环境，确定最佳温度为80 ℃。

图3 浸出温度对钪浸出率的影响

随着温度升高，分子运动速率加快，提高了表面化学反应速率，钪浸出速率相应提高，Fe、Ca、Al 浸出速率也在加快。 在温度较低的情况下，浸出液中无硅胶产生，但是随着温度升高，促进了硅胶的产生，但是因为后期酸度降低，硅胶和铝、铁离子水解产物絮凝进入渣中，通过对实验过程研究也发现，硅胶的产生对钪浸出率影响有限。

2.3 盐酸浓度

浸出温度80 ℃，其他条件不变，进行了盐酸浓度条件实验，结果见图4。 从图4 可以看出，钪浸出率随盐酸浓度升高而提高，在盐酸浓度为2 mo／L 和4 mo／L 条件下，钪浸出率非常低，主要是因为盐酸被原料中含钙矿物（Ca2SiO4和Ca3Al2O6）所消耗，因为此部分含钙矿物是原料前期处理工艺产生的，该类矿物中基本不含钪，从浸出液的颜色可以看出，在该盐酸浓度下，滤液颜色为无色。 当盐酸浓度超过6 mol／L 后，滤液颜色变为深黄色，含钙矿物反应完成后，还剩余盐酸，含铁矿物被溶解，同时铁矿物中的钪也得到浸出，钪浸出率大幅提高。 盐酸浓度6 mol／L 和8 mol／L 条件下钪浸出率差别不大，确定最佳盐酸浓度为6 mol／L。

图4 盐酸浓度对钪浸出率的影响

2.4 矿浆浓度

盐酸浓度6 mol／L，其他条件不变，进行了矿浆浓度条件实验，结果见图5。 从图5 可以看出，随着矿浆浓度降低，钪浸出率呈现不断上升的趋势。 在较高的矿浆浓度下，搅拌过程中容易形成膏状物，需要加大搅拌强度，同时扩散传质较慢，钪浸出率低。进一步降低矿浆浓度，生成的产物能够轻易地被搅散，扩散过程不是主要的控制因素，钪浸出率得到提高。 考虑到后期萃取的需要，矿浆浓度不宜过低，选择最佳矿浆浓度为7.7%（液固比为12 ∶1）。

图5 矿浆浓度对钪浸出率的影响

2.5 综合条件实验

在前述条件实验中，得到最佳实验条件为：浸出时间4 h、浸出温度80 ℃、盐酸浓度6 mol／L 和矿浆浓度7.7%。 在该条件下，进行了3 组综合实验，钪浸出率分别为73.2%、73.5%和73.1%，平均浸出率73.27%，实验可重复性好。

3 结 论

1） 对采自广西某拜耳法氧化铝厂压滤车间的赤泥，经过“铝钠回收（亚熔盐法）-还原焙烧-磁选回收铁”工艺处理后得到的含钪物料进行了分析，物料中主要矿物为Ca2SiO4和Ca3Al2O6，是主要的耗酸矿物。

2） 对该含钪物料进行了盐酸浸出实验研究，得出盐酸浸出最佳工艺条件为：浸出时间4 h、浸出温度80 ℃、盐酸浓度6 mol／L 和矿浆浓度7.7%。 在最佳工艺条件下进行了3 组综合实验，可获得钪平均浸出率73.27%。