離子型稀土礦浸出過程優(yōu)化與分析

邱廷省 ，伍紅強 ，2，方夕輝

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院，安徽 馬鞍山 243000）

離子型稀土礦浸出過程優(yōu)化與分析

邱廷省1，伍紅強1，2，方夕輝1

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院，安徽 馬鞍山 243000）

針對贛南不同性質(zhì)離子型稀土礦浸出率不同等問題，為確定不同性質(zhì)離子型稀土礦浸出最佳工藝匹配參數(shù)，進(jìn)行了兩種不同性質(zhì)離子型稀土礦的浸出試驗研究，并對其進(jìn)行了工藝優(yōu)化和浸出過程分析.結(jié)果表明，不同性質(zhì)的離子型稀土礦浸出的工藝條件應(yīng)有所不同，同時各工藝條件中的影響因素的大小關(guān)系也不一樣，應(yīng)根據(jù)稀土礦石性質(zhì)確定浸出工藝條件.

離子型稀土礦；浸出；過程分析；工藝優(yōu)化

0 前 言

目前已經(jīng)在我國南方的江西、福建、廣東、湖南、浙江、廣西和云南的七個省近一百多個縣市發(fā)現(xiàn)了有離子型稀土礦的存在.上述地方共計探明的離子型稀土礦稀土資源的儲量近1000萬t，只比我國稀土儲量最大的內(nèi)蒙古白云鄂博地區(qū)的稀土資源儲量少，是中國第二大的稀土資源基地[1-3].

離子型稀土礦中75%～95%的稀土元素以離子形態(tài)吸附于高嶺土、云母等黏土礦物上，并且主要還是富集于粒度小的黏土類礦物中，而余下10%的稀土元素則以礦物相、類質(zhì)同象、微固體分散相存在于其他礦物中.離子型稀土礦中那些吸附在黏土礦物上的稀土離子可以用一定濃度的離子型化合物作為浸出劑進(jìn)行淋洗[4-10].

通過眾多科研工作者的研究：浸出劑從早期對環(huán)境影響比較大的氯化鈉逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦咏?jīng)濟(jì)環(huán)保的硫酸銨，浸出方式從早期的池浸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎呀驮厝芙?科研工作者在離子型稀土礦提取等方面做了大量工作，但是對不同的離子型稀土礦的浸出工藝條件之間差異的分析研究工作還是鮮有所見[11].

1 試驗材料及研究方法

稀土原礦樣取自贛南某兩個稀土礦山，試樣進(jìn)行常規(guī)加工后，對其進(jìn)行化學(xué)多元素分析，結(jié)果見表1.

表1 試樣多元素分析結(jié)果/%

從試樣多元素分析結(jié)果可以看出，兩種離子型稀土礦均主要由Si和Al所組成，約占83%，其次是Ca、K和Fe，其它元素少量，此外，離子型稀土礦B的含泥量較大.

試驗時用水為自來水，試驗采用分析純的硫酸銨作為浸出劑.此外，該試驗研究還使用了浸出柱、容量瓶、燒杯、玻璃棒、比色皿、量筒、醫(yī)用針管、洗耳球、洗瓶、烤爐和移液管等若干.

本研究主要是通過浸出方式、浸出液中電解質(zhì)種類、浸出時間、浸出劑濃度、浸出劑用量（液固比）和浸出劑流速等條件對稀土礦浸出率的影響來研究和優(yōu)化離子型稀土礦浸出工藝條件[12-14]，同時分析不同的離子型稀土礦浸出工藝條件的差異.

2 試驗研究及工藝優(yōu)化

2.1 浸出方式對不同稀土礦的浸出率影響

離子型稀土礦屬于一種比較特殊的礦種，它的浸出方式與其他礦的浸出方式不同.通過采用不同的浸出方式（淋浸、靜浸、振蕩浸出和攪拌浸出）獲得的試驗數(shù)據(jù)確定稀土礦最佳的浸出方式，試驗結(jié)果如圖1所示.

圖1 浸出方式對稀土礦浸出率的影響

由圖1可知，浸出方式的不同對離子型稀土礦浸出影響很大，靜浸、振蕩浸出和攪拌浸出對兩種稀土礦的浸出效果都不是十分明顯，只有采用淋浸這樣一種新型的浸出方式才能更加有效將兩種離子型稀土礦中的稀土浸出至溶液中，故此次兩種稀土礦試驗研究的浸出方式均采用淋浸.

2.2 浸出液中電解質(zhì)種類對稀土礦浸出率的影響

目前有多種對離子型稀土礦具有一定浸出能力的電解質(zhì)，由于各個離子的交換能力和稀土礦組分的不同，導(dǎo)致不同的電解質(zhì)對不同稀土礦的浸出能力也不相同，另外還有一些電解質(zhì)如果被采用將會帶入一部分雜質(zhì)離子，降低了后續(xù)稀土沉淀物的純度，因此選擇一種合適的電解質(zhì)是進(jìn)行離子型稀土礦浸出過程分析與工藝優(yōu)化研究的一個關(guān)鍵，試驗結(jié)果如圖2所示.

圖2 浸出液中電解質(zhì)種類對稀土礦浸出率的影響

由圖2可知，硫酸銨做浸出劑時，兩種稀土礦的浸出效果都是最好，同時硫酸銨中的硫酸根離子能夠很好地抑制稀土礦中鉛離子和鈣離子等，所以兩種稀土礦試驗所用的電解質(zhì)均選擇硫酸銨試劑.

2.3 浸出時間對稀土礦浸出率的影響

浸出過程中，浸出最佳時間的確定有利于試驗研究的進(jìn)一步進(jìn)行，如果浸出時間過短，導(dǎo)致稀土礦浸出率比較低，達(dá)不到試驗的目的；如果時間過長，雖然稀土礦的浸出率較好，但是時間過長無論是在實驗室還是在現(xiàn)場對稀土礦的浸出都是不利的，無法實現(xiàn)離子型稀土礦經(jīng)濟(jì)高效的回收利用，浸出時間對兩種稀土礦浸出率的影響試驗結(jié)果如圖3所示.

由圖3可知，離子型稀土礦A在浸出過程中，當(dāng)浸出時間達(dá)到2.5 h以后，隨著浸出時間的增加，稀土礦浸出率變化不大；而離子型稀土礦B在浸出過程中，當(dāng)浸出時間達(dá)到3.5 h以后，隨著浸出時間的增加，稀土礦浸出率才變化不大，所以在此浸出條件下兩種稀土礦的浸出時間分別為2.5 h和3.5 h.

圖3 浸出時間對稀土礦浸出率的影響

2.4 浸出劑濃度對稀土礦浸出率的影響

離子型稀土礦的浸出過程其實是一個離子交換的過程，浸出劑中NH4+與吸附在黏土礦物上的稀土離子進(jìn)行離子交換，從而實現(xiàn)離子型稀土礦中稀土離子的回收利用.因此浸出劑濃度直接成為影響稀土離子交換多少的重要因素，另外如果浸出劑濃度選擇的不合適又有可能發(fā)現(xiàn)再吸附的現(xiàn)象，只有通過試驗確定兩種稀土礦最佳的浸出劑濃度來獲得理想的稀土礦浸出率，試驗結(jié)果如圖4所示.

圖4 浸出劑濃度對稀土礦浸出率的影響

從圖4可以看出，隨著浸出劑濃度的增大，兩種稀土礦的浸出率都是先增加后幾乎不變，當(dāng)浸出劑濃度為4%時離子型稀土礦A的浸出效果是最好的，當(dāng)浸出劑濃度為5%時離子型稀土礦B的浸出效果是最好的，所以兩種離子型稀土礦在浸出過程中浸出劑的濃度分別選擇為4%和5%.

2.5 液固比對稀土礦浸出率的影響

如果浸出劑用量過少，雖然浸出液中稀土含量會有一些增加，但將會大幅降低稀土礦的浸出率，不利于稀土礦的回收利用；如果浸出劑用量過多，稀土浸出率將會較高，但是浸出液中稀土的含量將會降低的比較明顯，不利于后續(xù)的稀土沉淀回收；只有確定適宜的液固比，才能夠使浸出效果達(dá)到較理想的要求，試驗結(jié)果如圖5所示.

圖5 浸出劑用量（液固比）對稀土礦浸出率的影響

從圖5可以得知，當(dāng)液固比低時，兩種稀土礦的浸出率會比較低，隨著液固比增大，兩種稀土礦的浸出率均呈先上升后幾乎不變的趨勢，并且離子型稀土礦A在液固比為1∶1時稀土礦浸出率最好，而離子型稀土礦B在液固比為1.2∶1時稀土礦浸出率最好，所以兩種離子型稀土礦在浸出試驗過程中液固比分別選擇為 1∶1 和 1.2∶1.

2.6 浸出劑流速對稀土礦浸出率的影響

有相關(guān)學(xué)者采用浸出動力學(xué)對離子型稀土礦浸出過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)浸出過程中浸出劑流速對稀土礦浸出率影響較大，如果浸出劑流速過慢，整個浸出時間將加大，不利于現(xiàn)場生產(chǎn)，同時容易導(dǎo)致稀土離子再吸附現(xiàn)象的發(fā)生；如果浸出劑流速過快，容易導(dǎo)致浸出劑在稀土礦中形成溝流，無法與稀土礦充分接觸，會降低稀土礦的浸出率，因此通過該試驗確定不同離子型稀土礦的最佳浸出劑流速，試驗結(jié)果如圖6所示.

由圖6可知，隨著流速的增加，離子型稀土礦A的浸出率先增加后減少，而離子型稀土礦B的浸出率則是一直在降低.在浸出過程中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)離子型稀土礦A的浸出劑流速大于3.5mL/min和離子型稀土礦B的浸出劑流速大于1.8mL/min時，隨著浸出劑流速的增加，在浸出柱上方形成的液柱越來越高，這是由于浸出劑在稀土礦中的擴散速度是一定的，如果浸出劑流出的速度過快，但又不能及時地從稀土礦中擴散出去，則只有在浸出柱上形成一個液柱，此液柱的形成導(dǎo)致浸出劑無法與稀土礦充分接觸，還有可能導(dǎo)致浸出劑在稀土礦中形成溝流，不利于稀土礦的浸出，所以兩種離子型稀土礦的浸出劑流速分別選擇為2.5mL/min和1mL/min.

圖6 浸出劑流速對稀土礦浸出率的影響

3 正交試驗及過程分析

為了確定浸出劑濃度、液固比和浸出劑流速等因素對不同離子型稀土礦浸出率影響大小，做了兩組三因素三水平L9（33）的正交試驗[15]，以稀土礦浸出率為指標(biāo)，離子型稀土礦A正交試驗因素及水平見表2，試驗設(shè)計應(yīng)用L9（34），試驗結(jié)果見表3，直觀分析和方差分析結(jié)果見表4和表5；離子型稀土礦B正交試驗因素及水平表見表6，試驗設(shè)計應(yīng)用L9（34），試驗結(jié)果見表7，直觀分析和方差分析結(jié)果見表8和表9.

表2 因素水平表

表3 正交試驗結(jié)果

由表4所分析的結(jié)果中的極差數(shù)據(jù)S可知，各因素對離子型稀土礦A浸出率的影響大小為：液固比＞浸出劑濃度＞浸出劑流速.

方差分析的計算結(jié)果如下：

表4 稀土礦浸出率的直觀分析結(jié)果

表5 方差分析結(jié)果

表6 因素水平表

表7 正交試驗結(jié)果

表8 稀土礦浸出率的直觀分析結(jié)果

表9 方差分析結(jié)果

方差分析的檢驗結(jié)果見表5.

給定 a=5%，F(xiàn)a（2,2）=19.從表 5 中可以看出 FB＞19，表明液固比（浸出劑用量）對離子型稀土礦A浸出率有顯著影響.FA、FC＜19，表明浸出劑濃度和浸出劑流速對離子型稀土礦A浸出率無顯著影響.方差分析的結(jié)果表明，影響離子型稀土礦A反應(yīng)因素的大小關(guān)系為：液固比＞浸出劑濃度＞浸出劑流速，與直觀分析的結(jié)果是一致的.

由表8所分析的結(jié)果中的極差數(shù)據(jù)S可知，各因素對離子型稀土礦B浸出率的影響大小為：浸出劑流速＞液固比＞浸出劑濃度.

方差分析的計算結(jié)果如下：

方差分析的檢驗結(jié)果見表9.

給定 a=5%，F(xiàn)a（2,2）=19.從表 9 中可以看出 FC和FB＞19，表明浸出劑流速和液固比（浸出劑用量）對離子型稀土礦B浸出率有顯著影響.FA＜19，表明浸出劑濃度對離子型稀土礦B浸出率無顯著影響.方差分析的結(jié)果表明，影響離子型稀土礦B反應(yīng)因素的大小關(guān)系為：浸出劑流速＞液固比＞浸出劑濃度，與直觀分析的結(jié)果是一致的.

4 結(jié) 論

通過試驗研究及工藝優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，不同離子型稀土礦浸出的較佳條件存在較大差異.離子型稀土礦A的較佳浸出工藝為：浸出方式：淋浸，浸出劑種類：硫酸銨，浸出時間：2.5 h，浸出劑濃度：4%，液固比：1∶1，浸出劑流速：2.5mL/min；離子型稀土礦B的較佳浸出工藝為：浸出方式：淋浸，浸出劑種類：硫酸銨，浸出時間：3.5 h，浸出劑濃度：5%，液固比：1.2∶1，浸出劑流速：1mL/min.

通過正交試驗及過程分析發(fā)現(xiàn)，不同的離子型稀土礦其主要的影響因素也各不相同.離子型稀土礦A反應(yīng)因素的大小關(guān)系為：液固比＞浸出劑濃度＞浸出劑流速；離子型稀土礦B反應(yīng)因素的大小關(guān)系為：浸出劑流速＞液固比＞浸出劑濃度.

論文研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，不同離子型稀土礦在最佳浸出因素方面有其獨特性，不可籠統(tǒng)的將離子型稀土礦的浸出工藝歸為一類，不能盲目地對不同類型的離子型稀土礦進(jìn)行同樣條件開采提取.因此，在實際生產(chǎn)過程中必須對不同類型的離子型稀土礦浸出條件進(jìn)行優(yōu)化試驗，確定浸出條件，從而提高離子型稀土礦資源的浸出利用水平.

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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）

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.

ionic rare earth ore;leaching;process analysis;process optimization

TD925.7;TF803.2

A

1674-9669（2012）04-0043-05

2012-06-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（51164010）；江西省自然科學(xué)基金資助項目（2010GZC0048）

邱廷?。?962－ ），男，教授，主要從事礦物加工和稀土領(lǐng)域的教學(xué)科研工作，E-mail：qiutingsheng@163.com.