硝酸浸出磷石膏中稀土元素的动力学研究.docx

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1、J. Cent. South Univ. (2022) 29: 1869-1880 DOI:0Springer硝酸浸出磷石膏中稀土元素的动力学研究湖南科技大学曾楚雄,管青军(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南省湘潭市411100)(2.湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南省湘潭市411100)JournalofCentralSouthUniversity,2022.6.29指导老师:管青军(副教授)摘要:稀土需求量的不断增加以及易处理稀土资源的不断减少使磷石膏成为一种重要的稀土潜在资源。针对磷石膏中的稀土浸出已经开展了大量的研究,但是对于磷石杼中稀土浸出动力学的深入研究却很少。本

2、文深入探讨了不同温度下硝酸对磷石膏中稀土的浸出情况,实验发现在30、60和80。C卜.,总稀土的最大浸出率分别可以达到58.5%、75.9%和83.4%,相对于洞、铺和钛,钮的浸出率更高。针对磷石膏的晶体形貌特征,构建了基于柱状缩核模型的在扩散和界面传质联合控制卜.的动力学方程,用此方程可以更好地拟合硝酸对磷石膏中稀土的浸出过程,并以此方程为基础,根据阿伦尼乌斯方程分别计算出了偶、钵、铉和铉浸出的表观活化能。Abstract:Phosphogypsum(PG)isapotentialresourceforrareearthelements(REEs).Severalstudieshavebee

3、ncarriedoutonREEleachingfromPG.However,fewin-depthstudieshaveinvestigatedthekineticsofthisleachingprocess.Inthisstudy,theleachingkineticsofREEsfromPGinnitricacidatdifferenttemperatureswereexploredindepth.TheexperimentsshowthatthemaxitnumleachingrecoveryforZREEwas58.5%,75.9%and83.4%at30,60and80,respe

4、ctively.Additionally,amongLa,Ce,YandNd,Yhadthehighestleachingrate.Anewshrinkingcoremodel(SCM)basedonthedissolutionreactionofacylindricalsolidparticlewithinterfacialtransferanddiffusionacrosstheproductlayeras(herate-controllingstepwasdeducedandcouldwellfittheleachingprocessofREESfromPG.Theactivatione

5、nergiesfortheleachingofLa,Ce,YandNdweredeterminedonthebasisofthenewcylindricalSCM.Insummary,thecylindricalSCMwasamoresuitablefiningmodelthanthesphericalSCM,andtheinterfacialtransferanddiffusionacrosstheproductlayerweretherate-controllingstepforREEleachingfrom(hePGsample.关键词:磷石膏;稀土;浸出动力学;缩核模型;硝酸一、前言二

6、、实验磷石膏是磷矿经硫酸湿法化学处理制成磷酸的副产品1-3。它主要成分是CaSO42HzO,含有少量的P、F、Si、Fe、Al,以及微量元素(如重金属、稀土元素,甚至放射性核素作为杂质)4-5。每生产一吨P2O5可产生45吨磷石膏。l三l前,全球磷石膏产量在100280Mta以上6-8。为了处理大量磷石膏的堆存问题,许多学者都在寻找磷石膏的新用途,磷石膏的主要利用方式包括作为农业土壤的添加剂9,10、石膏砖、砌体墙体、道路基层粘结剂、硫酸钠、土壤石灰石、硫酸镂11/3。然而,这些利用途径受杂质含量高的限制,目前全世界只有15%的磷石膏被回收利用,剩下的85%基本采用堆存的处理方法,这不仅占用大

7、量土地而且造成巨大的生态环境问题14。从另一个角度看,磷石膏中所含的杂质,尤其是稀土元素,使磷石膏成为一种二次资源。稀土元素被称为“工业维生素”和新材料“宝库”,是高新技术产业不可缺少的关键材料15。虽然磷石膏中稀土元素的含量(0.010.40wl%,以稀土氧化物计)较低,但磷石膏储量大,其储备的稀土资源也是巨量的,因此磷石膏是稀土元素的潜在资源16-18。如果将磷石膏再利用与稀土元素的回收结合起来,那么将进一步推动磷石膏的资源化利用。目前,从磷石膏中回收稀土的一般工艺有硫酸、盐酸和硝酸浸出稀土,如表1所示。与硫酸和盐酸相比,硝酸具有较好的石膏溶解度,是最有效的浸出剂口6,19,20o虽然对磷

8、石膏中稀土元素的浸出进行了一些研究,但对浸出过程动力学的深入研究很少。WaIaWalkarn9等人通过研究石膏在无机酸中的溶解度,间接说明了磷石膏中稀土元素的浸出过程,因为磷石膏中稀土元素的浸出效率受石膏溶解度的限制。然而,这并不能准确描述磷石膏中稀土的浸出过程。为了解决这一研究空白,我们对磷石膏进行了不同温度下的硝酸浸出试验,以评估稀土提取的可行性,并进行了深入的浸出动力学分析,以解释稀土浸出机制。(一)材料磷石膏样品来自中国云南某磷石膏公司。分析试剂级盐酸(3638wt%)硝酸(6568wi%)氢氟酸(240wt%)和高氯酸(7072wt%)购自中国广东省西陇化工有限公司,用于固体样品消解

9、和酸浸试验。(二)浸出实验浸出试验在配有回流冷凝器的三颈圆底烧瓶中进行,如图1所示。对于每个测试,首先将300mL1.65M硝酸溶液加入烧瓶中,并在油浴中预热到预定温度(30、60和80)o用磁力搅拌器以100转/分的恒定速率搅拌溶液。达到预定温度后向酸溶液中加入30g固体,开始计时。从浸出过程开始到总反应时间为2小时,每隔一定时间间隔(5、15、30、45、60、90、120分钟)用移液管从烧瓶中取出代表性样品。样品使用08m尼龙针式过滤器过滤。然后用1.0M硝酸稀释3倍,用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定样品中稀土元素的浓度。进行了3次重复,实验测量数据的相对标准偏差小于5

10、%o浸出率(,%)计算公式如下:a=100%Cz3V/(Cv0.03)三=1三9,三3vz(三003)其中G(PPm)为经LOM硝酸稀释后的浸出样品的元素浓度,V为进料溶液的体积(03L),Cs(ppm)为磷石膏样品的元素含量。REE表示所有稀土元素,表示所有稀土元素的浸出率。(三)表征方法采用CuKa辐射(=1.54178A),扫描速率为5Zmin,扫描20范围为50-70的X射线衍射仪(XRD,D8Advanced,Bruker,Gennany)对样品的结构进行了测定。将磷石膏样品在马弗炉中于300下煨烧2h,根据燃烧前后样品的质量计算结晶水的含量。使用X射线荧光光谱(XRF,Axiosm

11、AX,PANalyticalb.v.,荷兰)研究磷石膏样品煨烧后的化学成分。为了获得关于固相形态和样品中稀土元素分布的信息,使用场发射扫描电子显微镜(SEM,PhenomProX,PhenomWorld,荷兰)和能量色散X射线能谱仪(EDS,ThermoFisherScientific,SDDHJ781-2016(中国固体废物国家环保标准),采用检测器)对磷石膏样品进行了表征。为测定磷石膏样品中稀土元素的浓度,样品采用王水、氢氟酸、高氯酸联合消解,ICP-OES(AvioTM500,PerkinElmer,USA)进行分固体析。按照表1从磷石膏中回收稀土元素的研究综述参考来源REO/wt%浸出

12、试剂T/C浸出时间L/S效率Jarosinski,etal.21Preston,eta.22El-Reefy,etal.231.okshin,etal.24Abramov,etal.25Al-ThyabatandZhang26Ismail,etal.20Walawalkar,etal.1911.iang,etal.271.ambert,etal.28Canovas,etal.5Antonick,etal.29KolaPhosphoricacidplantatPhalaborwaAbu-ZaabalCompanyPrivateJointStockCompanytMetakhim,DumpPGSy

13、ntheticPGAbu-ZaabalCompanyAgriumFertilizerplantMosaiccompanyNutrienLtd.sfertilizeroperationsHuelvaPGstackSyntheticPG0.66.80.0220.4140.450.0340.0480.0200.02180.0317HREEs0.0178LREEs:0.01671.010-15%2.0molLv2-3molLv,0.8mol/LCa(NO)22molLv4molL4molL0.5wt%1wl%2wt%3wl%4wt%(l-3wt%)v:(1-3wt%)=3.2:11.2:125%m,9

14、6%3molLv2molL,4molL1.5molLv1.5molL1.5molL5%Microwavepretreatment,1.5molL0.5molL3molLv0.22molL0.22molLs40202525722580508525256h48h8h3025h8-12min1h3h2h210min60min2/4/6/8h24h2:13:11:12:14-5:120:32:18:14:115:120:150:152%57%Nd76%46%30%30%57.1%56.6%60.5%60.9%68.2%85%-86.1%49%43.3%11.9%12.5%57%51%23%43%80%

15、Nd,99%Y,99%Dy41%-46%LREEs49%-58%HREEs75%-82%LREEs78%-86%HREEs80.6%Y,93.7%Ce,90.6%Yb,89.6%Sm,87.5%Nd,76.9%Eu5%Ce,42.3%Yb,8.5%Sm,7.9%Nd,85%Y,16.5%Eu注:式中a、小v、分别为H2SO4、Hc1、HNO3、H3PO4的浓度。三、结果与讨论(一)磷石膏表征结果SEM分析表明,磷石膏主要为菱形片状,偶有碎片,如图1所示。由XRD分析可知(图2),磷石膏样品主要由二水石膏(CaSO42H2)和少量石英(Sio2)组成,由XRF结果可知(表2),二水石W占90%以

16、上。XRD和XRF均未检测到稀土元素,可能是稀土元素浓度较低。图1磷石膏样品的SEM图像5 IO 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 20(。)(SlunaXHSU2UI图2磷石膏样品的XRD图谱为进一步测定稀土元素含量,磷石膏样品按HJ781-2016标准进行消解,并用ICP-OES分析。元素分析(表3)表明,稀土元素的总含量为208ppm,其中钮、镯、锦和铉的含量最高,分别为74、46、32和30ppm。由于其他稀土元素的浓度很低,我们只考虑磷石膏样品中浓度最高的四种稀土元素(Y、LaCe和Nd)。表2XRF分析磷石膏样品化学成分(Wt%)成分SO3CaOSiO2P

17、2O5成分Al2O3FCrystalwaterOthers百分比0.3803119.170.40百分比42.3030.086.680.68表3磷石膏样品中稀土元素含量元索含量Element含量ppnppmSc1Gd2Y74Tb1La46Dy7Ce32Ho2Pr5Er2Nd3()Tm1Sm6Yb1Eu1Lu=1.51xj*=1.76xR2adj0.99620.99760.99530.99750.996660CEquation产2.02X=1.93xy=2.16xf=1.68xy=2.00xR2adj0.99980.99980.99990.99870.999980eCEquation产1.24Xy

18、=4xy=1.44xy=1.00xy=.26xR2adj0.99860.99880.99930.99910.9993(三)浸出动力学方程浸出过程被归类为流体-颗粒非均相反应,其中液体通过与固体接触并将固体转化为产物而与固体发生反应。收缩核模型(SCM)似乎合理地代表了各种浸出情况的现实。此外,考虑到稀土元素的浸出速率在1h后达到平衡或下降,动力学分析仅在浸出时间1h内进行。图5球形颗粒在液体中浸出的示意图球形SCM(如图5所示)在大多数情况下用于研究浸出动力学。稀土从磷石膏中浸出的过程也可以用模型表示。若反应由表面化学反应控制,则可采用下式:-(-a)v3=kl.t(1)如果反应是通过产物层扩

19、散控制的:l-23-(l-产=A,f(2)式中kc为表面化学速率常数,为浸出率,t为反应时间,ksd为扩散速率常数。根据等式(1)和(2),当浸出速率受化学反应控制时,UYlp)S随时间的变化曲线为斜率为h的直线;当浸出速率受扩散控制时,1N3(1P)27随时间的变化曲线为斜率为ksd的直线。我们分别绘制了UYIp严和1f3(1P)2力随浸出时间的变化曲线。表5和表6为调整后的决定系数(R2adj)来评估这些模型描述稀土浸出过程的准确性。从表中可以看出,以化学反应为速率控制步骤的SCM的R2adj值范围为().8273至0.9078。而对于扩散模型,R2adj值均大于0.9IoR2adj值表明

20、,相对于化学反应模型,扩散模型更能准确地拟合磷石膏中稀土元素的浸出。因此,稀土从磷石膏中的浸出过程用通过产物层的扩散控制方程描述更准确。表5基于球形颗粒的化学反应控制模型的h和R,JREE30C6()80发(XlO-3)R2adj匕(Xlo-3)R2adjL(XIO-3)R2adjLa4.880.89457.260.90358.700.8337Ce4.550.88336.850.90297.600.8350Y5.260.90788.160.903112.650.8928Nd4.010.87635.510.90086.370.8273REE4.820.89597.210.90199.210.85

21、07表6基于球形颗粒的扩散控制模型的和R?adj3()pC6080REE鼠/(X10-3)R2adj勖(XIO-3)R2adj勤(XIo-3)R2adjLa0.140.97961.860.98362.480.9143Ce0.240.97061.670.98411.980.9186Y1.050.98842.250.98134.410.9537Nd0.610.96731.150.98141.450.9102REE0.160.98131.830.98302.730.9305此外,从磷石膏样品的形貌(长菱形薄片)来样品的稀土浸出过程?看,圆柱形模型是否比球形模型更能描述磷石膏为了进一步研究浸出动力学,

22、并研究是否有rrc REE30 pC60 eC80 pC%d (X10凸)R2adjE(X10-3)R2adj勤(XlO-3)R2adjLa2.150.98094.460.98616.050.9213Ce1.890.97174.010.98654.770.9242Y2.470.98985.470.984811.330.9631Nd1.480.96862.710.98243.450.9142REE2.100.98274.390.98576.690.9377表7基于圆柱形颗粒的扩散控制模型的,和RjX=石(1 (1 a)?)(7)任何其他模型可以更好地拟合磷石膏中稀土的浸出,我们对圆柱形SCM(如

23、图6所示)进行了研究。如果反应速率由扩散通过圆柱状颗粒的产物层来控制,则速率表达式为32:(l-(l-a),72)2=(3)式中心为圆柱形SCM的扩散速率常数。表为了更准确地描述稀土从磷石膏中浸出的过 程,推导了以产品层间的界面传递和扩散为速率控 制步骤的圆柱形SCM的速率表达式。推导过程如 下所示32, 33 o图6柱状颗粒在液体中浸出的示意图假设圆柱体两端处于非活动状态32,颗粒的初始半径为ro,反应时间为I后,半径减小为r,固液界面向内移动距离为x(即x=m-r),如图6所示。根据上述描述,未反应固体的体积分数为:=(4)环1%()”2=f=土(5)%6-=l-(l-a)y2(6)7显示

24、了圆柱形SCM的速率常数(Ld)和相应的R2adj值。通过表6和表7的对比,对于磷石膏中稀土元素的线性拟合,柱状模型的R2adj值均大于球形模型的R2adj值,说明柱状模型比球形模型更适合磷石膏中稀土元素的线性拟合。苧=t)T2da2对Eq(9)积分得到Jo=I)产(9)X=疝l-(l-严(10)r=q-x=q(l-)*2(11)此外,假设产物层间的扩散(图6)遵循抛物线扩散规律,即反应速率与产物层厚度成反比:生=叫Co(12)dtX式中X为产物层厚度,D为扩散系数(最慢输运),Vm为1mol最慢穿透组分形成的产物层体积,CO为表面穿透物质的浓度。当产品层上的扩散和接触面上的转移共同控制速率时

25、,-=2rl=km-(13)atXX式中。=2兀DVmCol。假设筒体两端不活跃,因此不扩散,则1在反应过程中为常数。代入X,dx,r得到r2k(l-a),-(l-ayu2da=-dt(15)对上式积分得到J(l-,-(l-2o(16)0.80.7-0.67 05I 0.4 i.3 0.20.10.0-1/21n(l-a)+(l-a)u2-k,nct(17)式中kmc=km,表示表观速率常数。所有温度下-1n(1-)+(1-严1随时间的变化曲线如图7所示,新表达式拟合的速率常数(kmc)和相应的R2adj值如表8所示。对比表7和表8,新圆柱形模型拟合的R2adj值均大于圆柱形缩芯扩散模型拟合的

26、R?adj值,说明新变异模型拟合数据优于扩散模型。总体而言,稀土元素从磷石膏中浸出的速率受到产物层间界面转移和扩散的控制,这意味着由于堵塞和产物层的形成,浸出过程中接触表面积的变化是显著的32。综上所述,圆柱形SCM比球形SCM更适合于拟合模型,产物层间的界面转移和扩散是磷石膏样品稀土浸出的速率控制步骤。图7在不同浸出温度下,实验数据与模型预测值的方差随浸出时间的变化为-121n(1-)+(l-),z2-l(a130;b,60eC;c,80C)表8基卜界面传质和如散的球型轴核模毕的k,和R%qpREE3060C800Cknw(lO-3)R2adjJxgRadjknc(103)R2adjLa1.

27、380.98473.320.99214.830.9538Ce1.190.97522.900.99363.560.9503Y1.620.99434.300.994412.410.9875Nd0.900.97471.810.98312380.9348REE1.340.98733.250.99295.530.97()6(四)浸出表观活化能选择最精确的速率方程,利用Arrhenius方程,可以量化某一浸出步骤的表观活化能:E1ln=-(一)+lnA(18)E=一&咏R(19)式中,k为SCM的表观速率常数(mi),A为指前因子,T为反应温度(k),R为通用气体常数(8.314Jmor,-k-1),Ea

28、为表观活化能(kJmoH),ksiope为InkmC与1/T的线性Arrhcnius曲线斜率。图8从磷石膏样品中浸出稀土的阿伦尼乌斯图如上所述,最准确的速率方程是圆柱形SCM的新变体(Eq(17),以跨产品层的界面传递和扩散为速率控制步骤。利用Eq(17)得到的表观速率常数,绘制InknK与1/T的关系图(ArrheniusPlot)如图8所示,线性Arrheniusplot的相关参数如表9所示。R2adj值均在0.92以上,呈线性关系。由式(19)可知,在3080C温度范围内,磷石膏样品浸出La、Ce、Y、Nd的表观活化能分别为22.53、20.12、30.10、17.54kJmoJ如表9所

29、示。计算得到的活化能与其他浸出研究的结果相似34-36,反应过程受产物层间界面转移和扩散控制。因此,在硝酸中从磷石膏样品中浸出稀土的反应速率由产物层间的界面传质和扩散控制。表9E”和Arrhenius线性方程相关的参数,Inkmc=-ksQpe(JT)+仇4参数LaCeYNdASk)Pe(X103)K-2.71-2.42-3.62-2.11InA2.381.295.62-0.03R2adj0.98970.92800.94810.9834EkJmol22.5320.1230.IO17.54四、结论本研究深入探讨了硝酸中磷石膏中稀土元素的浸出动力学。以石膏(CaSO42&0)为主要成分的磷石膏样品

30、主要呈长菱形片状,偶有碎块。样品中稀土元素的总含量为208ppm,其中Y、La、Ce和Nd的含量最高。浸出试验结果表明,在30C、60C和80C条件下,EREE的最大浸出回收率分别为58.5%、75.9%和83.4%。在La、CeY和Nd中,Y的浸出率最高,在30、60C和80时分别达到61.9%、81.2%和94.8%。稀土元素与钙元素的回收率呈较强的线性相关关系,进一步表明稀土元素在磷石膏中主要以同构取代的形式存在。为了更准确地描述浸出动力学,推导了一种新的基于圆柱形固体颗粒溶解反应的浸出动力学模型,该模型以产物层间的界面传质和扩散为速率控制步骤,能够很好地拟合磷石膏中稀土元素的浸出过程。

31、基于该模型和AlTheniUS方程,计算了La、Ce、Y和Nd的浸出活化能。综上所述,圆柱形SCM比球形SCM更适合于拟合磷石膏中稀土浸出,产物层间的界面传递和扩散是磷石膏样品稀土浸出的速率控制步骤。参考文献flKOVLERK,8-Radioactivematerials,in:F.Pacheco-Torgal,S.Jalali,A.Fucic(Eds.)ToxicityofBuildingMaterialsM,Cambridge:WoodheadPublishing,2012:P196-240.21Jamialahmadim,muller-steinhagenh.Crystallizatio

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