稀土冶炼废水沉淀物中提取稀土试验研究

钟声彪，刘书文，黄福艺

（清远市嘉禾稀有金属有限公司，广东 清远 511517）

0 引言

稀土元素是一种具有特殊物理化学性质的元素，广泛应用于电子、光学、磁性材料等高科技领域[1]。稀土元素生产过程中会产生大量含稀土废水，如果这些稀土元素能够有效地提取出来，不仅可以减少环境污染，还可以实现资源的再利用，更重要的是促进环境保护和可持续发展[2-3]。稀土冶炼废水中的稀土元素主要以沉积物的形式存在，对环境造成一定程度的破坏。因此，研发高效的稀土提取技术，如何从稀土冶炼废水沉积物中提取稀土元素，减少资源浪费和环境污染，具有重要的意义[4-5]。本文提出焙烧预处理—盐酸浸出工艺提取稀土冶炼炼废水沉淀物中的稀土元素。

1 试验分析

1.1 试验原料及试剂

本次试验所用稀土冶炼废水沉淀物由清远市嘉禾稀有金属有限公司提供，试验原料中稀土质量占比为29.85%，从原料稀土配分可知，稀土中w（La2O3）为37.85%、w（Nd2O3）为40.22%、w（Pr2O3）为16.45%，原料稀土中以钕、镧、镨为主。原料化学成分情况如表1所示。所用盐酸AR（分析纯）500 mL，来源国药集团化学试剂有限公司。

表1 试验原料化学成分

1.2 试验设备

采用草酸盐重量法测定稀土冶炼废水沉淀物中混合徜徉金属中的稀土总量，采用电感耦合等离子体质谱仪测定稀土配分。采用电感耦合等离子体质谱仪测定（ICP-MS，iCAP Q 美国赛默飞世尔公司），在箱式电阻炉（Blmt 实验室箱式电阻炉，郑州赛热达窑炉有限公司）中进行焙烧预处理，浸出采用恒温水浴搅拌器（YK120-SD 恒温水浴搅拌器，广州达优丝贸易商行）进行。

1.3 试验原理与方法

1.3.1 样品收集

从稀土冶炼厂的废水处理系统中收集废水沉淀物样品，并进行初步的物理分离处理，获得干燥的沉淀物样品。

1.3.2 焙烧预处理

将干燥的沉淀物样品置于烘箱中，在一定温度下进行烘烤预处理。通过控制烘烤温度和时间，使沉淀物中的草酸盐、碳酸盐、结晶水得以挥发和分解，为后续的浸出过程提供条件。其中主要化学反应为MC2O4·nH2O（M代表Ca、Fe、A1、RE 等金属）分解成为MC2O4和H2O，MC2O4分析成为MCO3和CO，MCO3再次分解为MO 和CO2。

1.3.3 盐酸浸出

将经过烘烤预处理的沉淀物样品在一定条件下与盐酸进行反应。通过调节浸出剂的浓度、温度、浸出时间和液固比等参数，使稀土元素从沉淀物中转移到溶液中。然后经过过滤和沉淀等步骤，分离溶液中的稀土元素。该过程中主要发生的化学反应为REO+HCl→RECl3+H2O。

1.3.4 分析测试

对提取得到的稀土溶液进行化学分析和元素含量测试，使用常见的分析方法如原子吸收光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法等，确定提取过程中稀土的回收率和纯度。

2 试验结果与讨论

2.1 废水沉淀物的焙烧预处理

对稀土冶炼废水沉淀物进行差热、热重分析，得到水沉淀物的差热、热重曲线。从试验结果可知：差热曲线在419 ℃存在一个放热峰，在182 ℃和775 ℃各存在一个吸热峰；热重曲线表明废水沉淀物焙烧过程为吸热过程，当温度升高至775 ℃时沉淀物质量保持恒定，表明废水沉淀物中的草酸盐或碳酸盐已完成转变为氧化物。根据废水沉淀物进行差热、热重曲线可知，本次试验的焙烧预处理温度确定在790 ℃较为合适。

2.2 稀土元素的浸出试验

2.2.1 盐酸浓度对稀土浸出的影响

确定搅拌速度、浸出时间、液固体积质量比、浸出温度等试验条件一致情况下，采用不同盐酸浓度（2、3、4、5、6 mol/L）进行试验。

试验结果表明：当盐酸浓度从2 mol/L 增加至6 mol/L 过程中，稀土浸出率表现为先增大后趋于稳定的趋势，当盐酸浓度为3 mol/L 时，稀土浸出率达到99.02%，再次增加盐酸浓度后稀土浸出率基本无变化。综合其他因素，本次试验确定最佳盐酸浓度为4 mol/L。

2.2.2 浸出时间对稀土浸出率的影响

确定盐酸浓度4 mol/L，搅拌速度、液固体积质量比、浸出温度等试验条件一致情况下，采用不同浸出时间（0.25、0.50、1.00、1.50、2.00 h）进行试验。

试验结果表明：当浸出时间从0.25 h 增加至2.00 h 过程中，稀土浸出率表现为先增大后趋于稳定趋势，浸出时间为0.50 h 时稀土浸出率达到99.08%。综合生产效率因素，本次试验确定的最佳浸出时间为0.50 h。

2.2.3 液固体积质量比对稀土浸出率的影响

确定盐酸浓度为4 mol/L，浸出时间为0.5 h，浸出温度、搅拌速度等试验条件一致情况下，采用不同液（mL）固（g）比（2∶1、4∶1、6∶1、8∶1、10∶1）进行试验，结果如图1 所示。

图1 液固体积质量比对稀土浸出率的影响结果

试验结果表明：当液固比从2∶1 增加至10∶1过程中，稀土浸出率表现为先增大后趋于稳定的趋势，当液固比为4∶1 时稀土浸出率达到98.99%，再次增加液固体积质量比后稀土浸出率基本无变化，本次试验确定的最佳液固比为4∶1。

2.2.4 浸出温度对稀土浸出率的影响

确定盐酸浓度为4 mol/L，浸出时间为0.5 h，液固比为4∶1，搅拌速度等试验条件一致的情况下，采用不同的浸出温度（40、50、60、70、80、90 ℃）进行试验，试验结果如图2 所示。

图2 浸出温度对稀土浸出率的影响结果

试验结果表明：当浸出温度从40 ℃增加至90 ℃过程中，稀土浸出率表现为整体增大趋势，当浸出温度上升为60 ℃时稀土浸出率达到92.33%，当浸出温度上升为80 ℃时稀土浸出率达到99.21%，几乎完全浸出，再次增加浸出温度后稀土浸出率无变化。综合考虑，本次试验确定的最佳浸出温度为80 ℃。

2.2.5 搅拌速度对稀土浸出率的影响

确定盐酸浓度为4 mol/L，浸出时间为0.5 h，液固比为4∶1，浸出温度为80 ℃的试验条件下，采用不同的搅拌速度（200、300、400、500、600 r/min）条件下进行试验。

试验结果表明：当搅拌速度从200 r/min 增加至600 r/min 过程中，稀土浸出率表现为整体增大趋势，当搅拌速度上升为400 r/min 时稀土浸出率达到99.21%，几乎完全浸出，再次增加搅拌速度后稀土浸出率无太大变化。综合考虑，本次试验确定的最佳搅拌速度为400 r/min。

3 结论

本文采用焙烧预处理—盐酸浸出工艺对稀土冶炼废水沉淀物中提取稀土进行试验研究，研究了浸出时间、浸出温度、盐酸浓度、液固体积质量比等因素对浸出率的影响，确定了该工艺的最佳工艺参数，稀土冶炼废水沉淀物中稀土浸出率可达99.22%，浸出效果较好，有效改进了稀土冶炼废水处理和提取稀土的效率。