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    廢棄CRT熒光粉中稀土的提取工藝與技術(shù)

    2015-08-20 07:32:18申星梅李遼沙武杏榮王平王蓮貞
    化工學(xué)報(bào) 2015年4期
    關(guān)鍵詞:熒光粉浸出液草酸

    申星梅,李遼沙,武杏榮,王平,王蓮貞

    (安徽工業(yè)大學(xué)教育部冶金減排與資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 馬鞍山 243002)

    引 言

    多,且每年的淘汰量都在500 萬(wàn)臺(tái)以上[1]。這些廢棄CRT 顯示器上涂有含稀土的熒光粉,如每個(gè)CRT

    隨著科技的不斷進(jìn)步,新的顯示技術(shù)不斷出現(xiàn),導(dǎo)致越來(lái)越多的陰極射線(xiàn)管(CRT)顯示器被淘汰。據(jù)報(bào)道,我國(guó)擁有的CRT 顯示器達(dá)十億臺(tái)之含稀土紅粉(Y2O3:Eu3+)約10~12 g,而Y2O3和Eu2O3的售價(jià)分別為650 和5000 CNY·kg-1;如不妥善處置,將造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染,熒光粉中的稀土金屬和重金屬通常具有急性或慢性毒性,進(jìn)入土壤或水體中會(huì)對(duì)動(dòng)植物造成極大危害。然而,目前關(guān)于廢棄CRT 熒光粉回收處置的技術(shù)還存在很多問(wèn)題,導(dǎo)致絕大多數(shù)廢棄熒光粉只是被焚燒或填埋,沒(méi)有被有效利用[2-3]。廢棄CRT 熒光粉的資源化、無(wú)害化利用已成為亟待解決的課題。

    目前,國(guó)內(nèi)外已有大量關(guān)于從廢棄燈用三基色熒光粉中回收稀土的報(bào)道。Hirajima 等用油酸鈉預(yù)處理廢棄熒光粉后,采用二碘甲烷作為離心介質(zhì),分離回收含稀土的三基色熒光粉,回收率達(dá)97.34%[4];他們還研究了陽(yáng)離子浮選劑、陰離子浮選劑和分散劑在不同pH 范圍內(nèi)對(duì)熒光粉的浮選效果[5]。Michelis 等[6-7]采用濕法酸浸的方式回收稀土;Liu 等[8]則采用兩次酸浸的方法,并與傳統(tǒng)一次酸浸的方法作對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩次酸浸法的稀土回收率可達(dá)94.6%,而傳統(tǒng)方法只有42.08%。Yang 等[9]采用一種新型的萃取劑——氮氮二辛基二甘醇酰胺(DODGAA),以離子液體[C4mim][Tf2N]作為萃取介質(zhì)萃取稀土金屬。鄧庚鳳等[10]采用鹽酸浸出稀土,分析了浸出過(guò)程動(dòng)力學(xué),發(fā)現(xiàn)稀土浸出過(guò)程受擴(kuò)散控制,反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程遵循未反應(yīng)核收縮模型。涂雅潔等[11]采用溶劑錯(cuò)流萃取分離的方法回收Y 和Eu,回收總量達(dá)99.78%,并實(shí)現(xiàn)了Y、Eu 分離。燈用三基色熒光粉與CRT 顯示器用熒光粉的組成、結(jié)構(gòu)、稀土元素的賦存狀態(tài)及形式等都不相同。然而,從廢棄CRT 顯示器用熒光粉中提取稀土的研究,只有個(gè)別零星、分散的報(bào)道[12-14]。因此,開(kāi)展廢棄CRT 熒光粉中稀土提取的研究十分必要。

    本課題組[15]針對(duì)廢棄CRT 熒光粉中稀土的提取展開(kāi)了前期研究,發(fā)現(xiàn)采用稀鹽酸預(yù)處理工藝可以明顯提高稀土提取的效率,而且能夠減少用酸量。本文在前期稀酸預(yù)處理工作的基礎(chǔ)上,通過(guò)更進(jìn)一步的深入研究,發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)pH 并加入沉淀劑的方法可以得到純度較高的稀土氧化物,從而開(kāi)發(fā)出從廢棄CRT 熒光粉中提取稀土的完整工藝路線(xiàn),實(shí)現(xiàn)稀土資源的可持續(xù)利用。

    1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

    1.1 材料

    本實(shí)驗(yàn)所用原材料來(lái)自于稀鹽酸預(yù)處理后的廢棄CRT 熒光粉,預(yù)處理步驟詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15]。鹽酸、氨水、乙酸-乙酸鈉、二乙基二硫代氨基甲酸鈉(DDTC)、草酸,均為分析純。

    1.2 儀器

    精密pH 計(jì),pHS-2CW 型,上海般特儀器有限公司;數(shù)顯恒溫水浴鍋,HH-S2 型,金壇市文華儀器有限公司;高溫箱式爐,KSL-1400,合肥科晶材料有限公司;X 射線(xiàn)熒光光譜儀,ARL Advant’ X Intellipower 3600,賽默飛世爾科技有限公司;X 射線(xiàn)衍射儀,D8 Advance,德國(guó)Bruker 公司;激光粒度儀,Rise-2006,濟(jì)南潤(rùn)之科技有限公司;掃描電子顯微鏡,S-3400N Ⅱ,日本Hitachi 公司。

    1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

    (1)將預(yù)處理后的熒光粉放入燒杯中,加入一定濃度(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 mol·L-1)的鹽酸,在一定溫度(50、60、70、80、90℃)下攪拌反應(yīng)5 h,過(guò)濾后得到稀土浸出液。

    (2)移取6 份15 ml 的稀土浸出液,分別用氨水及乙酸-乙酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)至一定pH,并用蒸餾水稀釋至50 ml。稱(chēng)取一定用量比(DDTC 與熒光粉的質(zhì)量比分別為2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1)的DDTC,配制成50 ml 的DDTC 水溶液,在攪拌的條件下將其緩慢加入到稀釋的稀土浸出液中,靜置2 h 后,過(guò)濾分離得到稀土凈化液。

    (3)將稀土凈化液置于80℃的恒溫水浴中,在攪拌的條件下加入過(guò)量的草酸溶液(50 g·L-1),反應(yīng)完畢后調(diào)節(jié)體系pH 為1.5~2.0,室溫下陳化2 h 后過(guò)濾,得到稀土草酸沉淀。

    (4)將稀土草酸沉淀烘干研磨后,放入氧化鋁坩堝中,在一定溫度(600、750、900、1050℃)下煅燒2 h,隨爐降溫,所得產(chǎn)物即為稀土氧化物。

    廢棄CRT 熒光粉中提取稀土的完整工藝路線(xiàn)如圖1所示。

    2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

    2.1 預(yù)處理后熒光粉的化學(xué)組成分析

    表1所示為廢棄CRT 熒光粉的化學(xué)成分。將該廢棄CRT 熒光粉用稀鹽酸預(yù)處理后烘干,用X射線(xiàn)熒光光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果以氧化物形式列出,如表2所示。對(duì)比稀酸預(yù)處理前后熒光粉的化學(xué)成分可以看出,預(yù)處理后熒光粉中的稀土含量明顯提高,而鋅、鋁等雜質(zhì)的含量大大降低??梢?jiàn),通過(guò)稀酸預(yù)處理可以使熒光粉中的稀土組分富集,得到稀土純度相對(duì)較高的樣品,有利于后續(xù)工藝的進(jìn)行;同時(shí),雜質(zhì)含量的降低,可以減少酸解工藝中酸的消耗量,降低后續(xù)除雜的難度。

    圖1 廢棄CRT 熒光粉中稀土提取的技術(shù)路線(xiàn)Fig.1 Recovery process of rare earth from waste CRT phosphor

    表1 廢棄CRT 熒光粉的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of waste CRT phosphor

    表2 稀酸預(yù)處理后廢棄CRT 熒光粉的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of waste CRT phosphor after dilute acid pretreatment

    2.2 酸浸工藝對(duì)稀土浸出率的影響

    圖2是酸浸工藝對(duì)稀土浸出率的影響曲線(xiàn),其中(a)是稀土浸出率隨鹽酸濃度的變化曲線(xiàn),(b)是稀土浸出率隨反應(yīng)溫度的變化曲線(xiàn)。從圖2(a)中可以看出,稀土浸出率隨鹽酸濃度的增大而呈升高趨勢(shì)。鹽酸濃度為1~5 mol·L-1時(shí),稀土浸出率的升高趨勢(shì)較為顯著,從33.34%升高至94.26%;鹽酸濃度繼續(xù)增加至6 mol·L-1時(shí),稀土浸出率為95%,升高趨勢(shì)較為平緩。這是由于,當(dāng)鹽酸濃度較小時(shí),隨著酸濃度的增加,溶液中參加反應(yīng)的鹽酸濃度梯度增大,為稀土的浸出反應(yīng)提供了較大的動(dòng)力,促進(jìn)了稀土的浸出。當(dāng)鹽酸濃度大于5 mol·L-1后,浸出反應(yīng)趨于平衡,因此稀土浸出率曲線(xiàn)較為平緩;而且,此時(shí)等體積溶液中的離子濃度較高,溶液黏度變大,導(dǎo)致溶出的稀土離子向外擴(kuò)散的阻力變大,從而限制了稀土的浸出,這是浸出率增長(zhǎng)緩慢的另一主要原因[16]。由于鹽酸濃度大于5 mol·L-1后,稀土浸出率變化不大,綜合考慮能耗和經(jīng)濟(jì)因素,選擇最佳鹽酸濃度為5 mol·L-1。

    由圖2(b)可以看出,稀土浸出率隨反應(yīng)溫度的升高而明顯增大。然而,當(dāng)反應(yīng)溫度大于80℃后,稀土浸出率則基本沒(méi)有變化。反應(yīng)溫度升高,可以給酸解反應(yīng)提供動(dòng)力,加快反應(yīng)速度[17],有利于浸出過(guò)程的傳熱與傳質(zhì)[18];然而溫度過(guò)高,可能會(huì)導(dǎo)致鹽酸的加速揮發(fā),使得溶液中的有效鹽酸濃度降低,不利于稀土的浸出。因此,選擇最佳反應(yīng)溫度為80℃。

    2.3 稀土浸出液的凈化除雜

    圖2 酸浸工藝對(duì)稀土浸出率的影響曲線(xiàn)Fig.2 Influence of acid leaching process on leaching rate of rare earth

    2.3.1 除雜機(jī)理分析 由表1的化學(xué)成分可知,預(yù)處理后熒光粉中的雜質(zhì)主要為鋅、鋁、鉛、鈣和鎂等。這些雜質(zhì)組分在酸浸工藝中均會(huì)同稀土組分一 起進(jìn)入浸出液中,在后續(xù)沉淀工藝中不僅會(huì)消耗沉淀劑,還會(huì)以共沉淀的方式隨稀土一起沉淀,影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此,有必要對(duì)稀土浸出液進(jìn)行凈化除雜。由于浸出液中所含稀土離子和雜質(zhì)金屬離子的鹽類(lèi)均易水解,通過(guò)對(duì)這幾種離子的水解反應(yīng)進(jìn)行分析,尋找稀土離子與雜質(zhì)離子分離的理論依據(jù),分析如下。

    已知以下7 種沉淀的溶度積[19-20]分別為

    由式(1)~式(7)得

    根據(jù)式(8)~式(14)作圖,結(jié)果如圖3所示。

    圖3 lg[Mn+]-pH 曲線(xiàn)Fig.3 Curves of lg[Mn+]-pH

    本實(shí)驗(yàn)中,稀土浸出液中所含成分濃度的對(duì)數(shù)值范圍約為[-1.46~0.06]。從圖3可以看出,在pH<4 的酸性介質(zhì)中,浸出液中的各種組分均以離子狀態(tài)存在;當(dāng)pH>4 時(shí),體系中的Al3+首先生成Al(OH)3沉淀;隨著pH 的逐漸增大,各種離子按照?qǐng)D中從左到右的順序逐漸轉(zhuǎn)化為沉淀。因此,可通過(guò)控制合適的pH 進(jìn)行除雜。然而,從圖中可以看出,Zn2+、Pb2+與稀土Y3+、Eu3+有著相近的沉淀pH,僅通過(guò)控制pH 無(wú)法將其完全除去,需要加入合適的沉淀劑。銅試劑(二乙基二硫代氨基甲酸鈉,DDTC)中的二硫代氨基甲酸基團(tuán)(DTC)含有S、N 等配位原子,可以和Zn2+、Pb2+形成穩(wěn)定常數(shù)很高的螯合物,且其發(fā)生螯合反應(yīng)時(shí)可適應(yīng)的pH 范圍較廣[21-25],因此,可選用DDTC 作為沉淀劑去除浸出液中的Zn2+和Pb2+。DDTC 中的DTC 基團(tuán)以陰離子形式存在,pH 越大越有利于其對(duì)金屬離子的捕集,而稀土離子在水溶液中水解的pH 約為6.0~7.5,因此,選擇控制體系的pH 為5.5。

    當(dāng)調(diào)節(jié)體系pH 為5.5 時(shí),浸出液中的Al3+轉(zhuǎn)化為A1(OH)3沉淀;向體系中加入DDTC 后,Zn2+、Pb2+與DDTC 發(fā)生螯合反應(yīng)生成沉淀。經(jīng)過(guò)濾分離后,溶液中只剩下稀土Y3+、Eu3+以及Ca2+、Mg2+,而Ca2+、Mg2+可以在后續(xù)的草酸沉淀稀土工藝中得以分離。

    2.3.2 DDTC 用量的影響 圖4是雜質(zhì)沉淀量隨DDTC 用量比(DDTC 與熒光粉的質(zhì)量比)的變化曲線(xiàn)??梢钥闯?,隨著DDTC 用量的增大,其與Zn2+、Pb2+生成螯合物沉淀的質(zhì)量迅速增加;當(dāng)DDTC 用量比達(dá)到6:1 時(shí),雜質(zhì)沉淀量達(dá)到最大,此時(shí)溶液中的Zn2+、Pb2+已基本生成沉淀;繼續(xù)增加DDTC 用量,雜質(zhì)沉淀量已無(wú)明顯變化,且過(guò)量的DDTC 不僅造成不必要的浪費(fèi),而且會(huì)對(duì)后續(xù)工藝產(chǎn)生影響。因此,DDTC 的最佳用量比為6:1。

    圖4 雜質(zhì)沉淀量隨DDTC 用量比的變化曲線(xiàn)Fig.4 Variation curve for precipitation capacity of impurities with ratio of DDTC and phosphors dosage

    2.4 稀土凈化液的沉淀與煅燒

    從2.3 節(jié)中可知,稀土浸出液經(jīng)過(guò)凈化除雜后,得到了稀土含量較高的凈化液。采用草酸沉淀凈化液中的稀土離子,可得到大顆粒的晶形沉淀,具有良好的沉降性能,且通過(guò)攪拌和陳化能釋放出被包裹和吸附的雜質(zhì)離子。表3所示是一些草酸鹽的溶度積常數(shù)。從表中可以看出,Ca2+、Mg2+、Zn2+、Pb2+的草酸鹽溶度積常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于稀土離子的溶度積常數(shù)。由于Zn2+、Pb2+在草酸沉淀之前就已除去,而Ca2+、Mg2+經(jīng)草酸沉淀后得以與稀土分離。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,加入DDTC 會(huì)引入部分Na+,其與草酸根及稀土離子反應(yīng)會(huì)生成難溶的復(fù)鹽結(jié)晶與稀土草酸鹽一起沉淀下來(lái)。此時(shí),可通過(guò)將煅燒后產(chǎn)物水洗的方法去除雜質(zhì)。

    表3 草酸鹽的溶度積常數(shù)Table 3 Solubility product constant of oxalates

    稀土凈化液經(jīng)草酸沉淀后,將沉淀產(chǎn)物分別在600、750、900 和1050℃下煅燒2 h。圖5為不同煅燒溫度下稀土產(chǎn)物的XRD 譜圖。將上述各溫度煅燒所得稀土產(chǎn)物的衍射峰與PDF 標(biāo)準(zhǔn)卡片(No.43-1036)對(duì)照后可知,所得樣品均為立方相的Y2O3。從圖中可知,當(dāng)煅燒溫度較低(600、750℃)時(shí),雖然已出現(xiàn)Y2O3的特征峰,但衍射峰型較寬,主衍射峰強(qiáng)度較小,表明此時(shí)樣品的結(jié)晶程度不好,且有不同程度的雜峰存在;當(dāng)煅燒溫度達(dá)到900℃時(shí),樣品的衍射峰與立方相Y2O3的衍射峰完全吻合,主衍射峰的強(qiáng)度明顯增大,半峰寬變小,衍射峰型更加尖銳,且不存在雜峰,可見(jiàn)此時(shí)樣品的結(jié) 晶度良好,不存在雜相;繼續(xù)升高煅燒溫度至1050℃時(shí),樣品衍射峰沒(méi)有明顯變化。因此,選擇最佳煅燒溫度為900℃。

    圖5 不同煅燒溫度下稀土產(chǎn)物的XRD 譜圖Fig.5 XRD patterns of rare earth products at different calcination temperature

    圖6為稀土產(chǎn)物在不同煅燒溫度下的粒徑分布。從圖中可以看出,不同溫度下所得稀土產(chǎn)物的粒徑分布曲線(xiàn)均呈對(duì)數(shù)分布。隨著煅燒溫度的升高,曲線(xiàn)逐漸向右移動(dòng),且峰型逐漸變寬,表明樣品的粒徑逐漸增大;煅燒溫度在600~1050℃之間,樣品D50從1.295 μm 增至13.316 μm。可見(jiàn),隨著溫度的升高,稀土產(chǎn)物顆粒間的團(tuán)聚越來(lái)越明顯,導(dǎo)致粒徑越來(lái)越大。煅燒溫度為900℃時(shí),稀土產(chǎn)物D50為13.059 μm,顆粒分散較為均勻。

    2.5 稀土產(chǎn)物的表征

    由表2可知,稀酸預(yù)處理后熒光粉的質(zhì)量為18.7321 g,Y2O3占68.51%;由圖2可知,在酸浸最佳工藝條件下,稀土浸出率為94.26%;經(jīng)除雜、沉淀和煅燒后,所得稀土產(chǎn)物經(jīng)水洗烘干后質(zhì)量為11.6334 g。因此,稀土沉淀率為

    表4所示為900℃下煅燒2 h 所得稀土產(chǎn)物的化學(xué)成分。從表中可以看出,經(jīng)預(yù)處理、酸浸、除雜、沉淀和煅燒等一系列工序后,從廢棄CRT 熒光粉中提取到的稀土產(chǎn)物總含量為99.20%,其中Y2O3占91.25%。

    圖6 稀土產(chǎn)物在不同煅燒溫度下的粒徑分布Fig.6 Particle size distribution of rare earth product under different calcination temperature

    表4 稀土產(chǎn)物的化學(xué)組成Table 4 Chemical composition of rare earth product

    圖7是900℃下煅燒2 h 所得稀土產(chǎn)物的SEM圖片。從圖中可以看出,所得稀土產(chǎn)物的晶粒由若干片狀晶體密實(shí)堆積而成,形成多面體結(jié)構(gòu),且晶粒之間相互嵌入,呈現(xiàn)出鑲嵌式接觸。

    圖7 稀土產(chǎn)物的SEM 圖Fig.7 SEM image of rare earth product

    3 結(jié) 論

    (1)在前期稀酸預(yù)處理工藝的基礎(chǔ)上,得出了從廢棄CRT 熒光粉中提取稀土的完整工藝路線(xiàn)。稀酸預(yù)處理后,鹽酸酸浸剩余熒光粉固體的最佳濃度為5 mol·L-1,最佳反應(yīng)溫度為80℃;酸浸后稀土浸出液凈化除雜的pH 控制為5.5,DDTC 最佳用量比為6:1;稀土凈化液經(jīng)草酸沉淀后煅燒的最佳溫度為900℃。

    (2)從廢棄CRT熒光粉中提取到稀土產(chǎn)物Y2O3和Eu2O3的總含量為99.20%,其晶粒由若干片狀晶體密實(shí)堆積成多面體結(jié)構(gòu),晶粒之間相互嵌入,呈鑲嵌式接觸。

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