有色金属科学与工程  2012, Vol. 3 Issue (4): 43-47
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离子型稀土矿浸出过程优化与分析[PDF全文]
邱廷省1, 伍红强1,2, 方夕辉1    
1. 江西理工大学资源与环境工程学院,江西 赣州 341000;
2. 中钢集团马鞍山矿山研究院,安徽 马鞍山 243000
摘要:针对赣南不同性质离子型稀土矿浸出率不同等问题,为确定不同性质离子型稀土矿浸出最佳工艺匹配参数,进行了两种不同性质离子型稀土矿的浸出试验研究,并对其进行了工艺优化和浸出过程分析.结果表明,不同性质的离子型稀土矿浸出的工艺条件应有所不同,同时各工艺条件中的影响因素的大小关系也不一样,应根据稀土矿石性质确定浸出工艺条件.
关键词离子型稀土矿    浸出    过程分析    工艺优化    
Optimization and analysis of the leaching process of ionic rare earth
QIU Ting-sheng1, WU Hong-qiang1,2, FANG Xi-hui1    
1. School of Resource and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;
2. Maanshan Institute of Mining Research, Sino-Steel Group, Maanshan 243000, China
Abstract: This article studies the leaching properties of two different types of ionic rare earths by analyzing their process optimization and leaching process for determining their optimal matching parameters. The results show that the leaching process conditions are different corresponding to the varied natures of ionic rare earths. The characteristics of rare earth ore should be considered while selecting leaching processes.
Key words: ionic rare earth ore    leaching    process analysis    process optimization    
0 前言

目前已经在我国南方的江西、福建、广东、湖南、浙江、广西和云南的七个省近一百多个县市发现了有离子型稀土矿的存在.上述地方共计探明的离子型稀土矿稀土资源的储量近1000万t,只比我国稀土储量最大的内蒙古白云鄂博地区的稀土资源储量少,是中国第二大的稀土资源基地[1-3].

离子型稀土矿中75 %~95 %的稀土元素以离子形态吸附于高岭土、云母等黏土矿物上,并且主要还是富集于粒度小的黏土类矿物中,而余下10 %的稀土元素则以矿物相、类质同象、微固体分散相存在于其他矿物中.离子型稀土矿中那些吸附在黏土矿物上的稀土离子可以用一定浓度的离子型化合物作为浸出剂进行淋洗[4-10].

通过众多科研工作者的研究:浸出剂从早期对环境影响比较大的氯化钠逐渐转变为更加经济环保的硫酸铵,浸出方式从早期的池浸逐渐转变为堆浸和原地溶浸.科研工作者在离子型稀土矿提取等方面做了大量工作,但是对不同的离子型稀土矿的浸出工艺条件之间差异的分析研究工作还是鲜有所见[11].

1 试验材料及研究方法

稀土原矿样取自赣南某两个稀土矿山,试样进行常规加工后,对其进行化学多元素分析,结果见表 1.

表1 试样多元素分析结果/%
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从试样多元素分析结果可以看出,两种离子型稀土矿均主要由Si和Al所组成,约占83 %,其次是Ca、K和Fe,其它元素少量,此外,离子型稀土矿B的含泥量较大.

试验时用水为自来水,试验采用分析纯的硫酸铵作为浸出剂.此外,该试验研究还使用了浸出柱、容量瓶、烧杯、玻璃棒、比色皿、量筒、医用针管、洗耳球、洗瓶、烤炉和移液管等若干.

本研究主要是通过浸出方式、浸出液中电解质种类、浸出时间、浸出剂浓度、浸出剂用量(液固比)和浸出剂流速等条件对稀土矿浸出率的影响来研究和优化离子型稀土矿浸出工艺条件[12-14],同时分析不同的离子型稀土矿浸出工艺条件的差异.

2 试验研究及工艺优化 2.1 浸出方式对不同稀土矿的浸出率影响

离子型稀土矿属于一种比较特殊的矿种,它的浸出方式与其他矿的浸出方式不同.通过采用不同的浸出方式(淋浸、静浸、振荡浸出和搅拌浸出)获得的试验数据确定稀土矿最佳的浸出方式,试验结果如图 1所示.

图 1 浸出方式对稀土矿浸出率的影响

图 1可知,浸出方式的不同对离子型稀土矿浸出影响很大,静浸、振荡浸出和搅拌浸出对两种稀土矿的浸出效果都不是十分明显,只有采用淋浸这样一种新型的浸出方式才能更加有效将两种离子型稀土矿中的稀土浸出至溶液中,故此次两种稀土矿试验研究的浸出方式均采用淋浸.

2.2 浸出液中电解质种类对稀土矿浸出率的影响

目前有多种对离子型稀土矿具有一定浸出能力的电解质,由于各个离子的交换能力和稀土矿组分的不同,导致不同的电解质对不同稀土矿的浸出能力也不相同,另外还有一些电解质如果被采用将会带入一部分杂质离子,降低了后续稀土沉淀物的纯度,因此选择一种合适的电解质是进行离子型稀土矿浸出过程分析与工艺优化研究的一个关键,试验结果如图 2所示.

图 2 浸出液中电解质种类对稀土矿浸出率的影响

图 2可知,硫酸铵做浸出剂时,两种稀土矿的浸出效果都是最好,同时硫酸铵中的硫酸根离子能够很好地抑制稀土矿中铅离子和钙离子等,所以两种稀土矿试验所用的电解质均选择硫酸铵试剂.

2.3 浸出时间对稀土矿浸出率的影响

浸出过程中,浸出最佳时间的确定有利于试验研究的进一步进行,如果浸出时间过短,导致稀土矿浸出率比较低,达不到试验的目的;如果时间过长,虽然稀土矿的浸出率较好,但是时间过长无论是在实验室还是在现场对稀土矿的浸出都是不利的,无法实现离子型稀土矿经济高效的回收利用,浸出时间对两种稀土矿浸出率的影响试验结果如图 3所示.

图 3 浸出时间对稀土矿浸出率的影响

图 3可知,离子型稀土矿A在浸出过程中,当浸出时间达到2.5 h以后,随着浸出时间的增加,稀土矿浸出率变化不大;而离子型稀土矿B在浸出过程中,当浸出时间达到3.5 h以后,随着浸出时间的增加,稀土矿浸出率才变化不大,所以在此浸出条件下两种稀土矿的浸出时间分别为2.5 h和3.5 h.

2.4 浸出剂浓度对稀土矿浸出率的影响

离子型稀土矿的浸出过程其实是一个离子交换的过程,浸出剂中NH4+与吸附在黏土矿物上的稀土离子进行离子交换,从而实现离子型稀土矿中稀土离子的回收利用.因此浸出剂浓度直接成为影响稀土离子交换多少的重要因素,另外如果浸出剂浓度选择的不合适又有可能发现再吸附的现象,只有通过试验确定两种稀土矿最佳的浸出剂浓度来获得理想的稀土矿浸出率,试验结果如图 4所示.

图 4 浸出剂浓度对稀土矿浸出率的影响

图 4可以看出,随着浸出剂浓度的增大,两种稀土矿的浸出率都是先增加后几乎不变,当浸出剂浓度为4 %时离子型稀土矿A的浸出效果是最好的,当浸出剂浓度为5 %时离子型稀土矿B的浸出效果是最好的,所以两种离子型稀土矿在浸出过程中浸出剂的浓度分别选择为4 %和5 %.

2.5 液固比对稀土矿浸出率的影响

如果浸出剂用量过少,虽然浸出液中稀土含量会有一些增加,但将会大幅降低稀土矿的浸出率,不利于稀土矿的回收利用;如果浸出剂用量过多,稀土浸出率将会较高,但是浸出液中稀土的含量将会降低的比较明显,不利于后续的稀土沉淀回收;只有确定适宜的液固比,才能够使浸出效果达到较理想的要求,试验结果如图 5所示.

图 5 浸出剂用量(液固比)对稀土矿浸出率的影响

图 5可以得知,当液固比低时,两种稀土矿的浸出率会比较低,随着液固比增大,两种稀土矿的浸出率均呈先上升后几乎不变的趋势,并且离子型稀土矿A在液固比为1:1时稀土矿浸出率最好,而离子型稀土矿B在液固比为1.2:1时稀土矿浸出率最好,所以两种离子型稀土矿在浸出试验过程中液固比分别选择为1:1和1.2:1.

2.6 浸出剂流速对稀土矿浸出率的影响

有相关学者采用浸出动力学对离子型稀土矿浸出过程进行了分析,发现浸出过程中浸出剂流速对稀土矿浸出率影响较大,如果浸出剂流速过慢,整个浸出时间将加大,不利于现场生产,同时容易导致稀土离子再吸附现象的发生;如果浸出剂流速过快,容易导致浸出剂在稀土矿中形成沟流,无法与稀土矿充分接触,会降低稀土矿的浸出率,因此通过该试验确定不同离子型稀土矿的最佳浸出剂流速,试验结果如图 6所示.

图 6 浸出剂流速对稀土矿浸出率的影响

图 6可知,随着流速的增加,离子型稀土矿A的浸出率先增加后减少,而离子型稀土矿B的浸出率则是一直在降低.在浸出过程中发现:当离子型稀土矿A的浸出剂流速大于3.5 mL/min和离子型稀土矿B的浸出剂流速大于1.8 mL/min时,随着浸出剂流速的增加,在浸出柱上方形成的液柱越来越高,这是由于浸出剂在稀土矿中的扩散速度是一定的,如果浸出剂流出的速度过快,但又不能及时地从稀土矿中扩散出去,则只有在浸出柱上形成一个液柱,此液柱的形成导致浸出剂无法与稀土矿充分接触,还有可能导致浸出剂在稀土矿中形成沟流,不利于稀土矿的浸出,所以两种离子型稀土矿的浸出剂流速分别选择为2.5 mL/min和1 mL/min.

3 正交试验及过程分析

为了确定浸出剂浓度、液固比和浸出剂流速等因素对不同离子型稀土矿浸出率影响大小,做了两组三因素三水平L9(33)的正交试验[15],以稀土矿浸出率为指标,离子型稀土矿A正交试验因素及水平见表 2,试验设计应用L9(34),试验结果见表 3,直观分析和方差分析结果见表 4表 5;离子型稀土矿B正交试验因素及水平表见表 6,试验设计应用L9(34),试验结果见表 7,直观分析和方差分析结果见表 8表 9.

表2 因素水平表
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表3 正交试验结果
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表4 稀土矿浸出率的直观分析结果
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表5 方差分析结果
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表6 因素水平表
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表7 正交试验结果
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表8 稀土矿浸出率的直观分析结果
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表9 方差分析结果
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表 4所分析的结果中的极差数据S可知,各因素对离子型稀土矿A浸出率的影响大小为:液固比>浸出剂浓度>浸出剂流速.

方差分析的计算结果如下:

K(浸出率总和)=W(浸出率平方总和)=76478.7896

76466.94,

方差分析的检验结果见表 5.

给定a=5%,Fa(2, 2)=19.从表 5中可以看出FB>19,表明液固比(浸出剂用量)对离子型稀土矿A浸出率有显著影响.FAFC<19,表明浸出剂浓度和浸出剂流速对离子型稀土矿A浸出率无显著影响.方差分析的结果表明,影响离子型稀土矿A反应因素的大小关系为:液固比>浸出剂浓度>浸出剂流速,与直观分析的结果是一致的.

表 8所分析的结果中的极差数据S可知,各因素对离子型稀土矿B浸出率的影响大小为:浸出剂流速>液固比>浸出剂浓度.

方差分析的计算结果如下:

方差分析的检验结果见表 9.

给定a=5%,Fa(2, 2)=19.从表 9中可以看出FCFB>19,表明浸出剂流速和液固比(浸出剂用量)对离子型稀土矿B浸出率有显著影响.FA<19,表明浸出剂浓度对离子型稀土矿B浸出率无显著影响.方差分析的结果表明,影响离子型稀土矿B反应因素的大小关系为:浸出剂流速>液固比>浸出剂浓度,与直观分析的结果是一致的.

4 结论

通过试验研究及工艺优化发现,不同离子型稀土矿浸出的较佳条件存在较大差异.离子型稀土矿A的较佳浸出工艺为:浸出方式:淋浸,浸出剂种类:硫酸铵,浸出时间:2.5 h,浸出剂浓度:4 %,液固比:1:1,浸出剂流速:2.5 mL/min;离子型稀土矿B的较佳浸出工艺为:浸出方式:淋浸,浸出剂种类:硫酸铵,浸出时间:3.5 h,浸出剂浓度:5 %,液固比:1.2:1,浸出剂流速:1 mL/min.

通过正交试验及过程分析发现,不同的离子型稀土矿其主要的影响因素也各不相同.离子型稀土矿A反应因素的大小关系为:液固比>浸出剂浓度>浸出剂流速;离子型稀土矿B反应因素的大小关系为:浸出剂流速>液固比>浸出剂浓度.

论文研究结果还发现,不同离子型稀土矿在最佳浸出因素方面有其独特性,不可笼统的将离子型稀土矿的浸出工艺归为一类,不能盲目地对不同类型的离子型稀土矿进行同样条件开采提取.因此,在实际生产过程中必须对不同类型的离子型稀土矿浸出条件进行优化试验,确定浸出条件,从而提高离子型稀土矿资源的浸出利用水平.

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