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探索重稀土分离与澄清时间、温度的关联性

2020-07-14 218 上传者：管理员

摘要：通过研究南方离子型稀土矿分离过程中，澄清时间、温度对萃取过程中分离系数的影响，发现：在相同温度和混合萃取时间条件下，镱（Yb）、镥（Lu）的分离系数βYb/Lu随着澄清时间的增加，先呈上升趋势，等到澄清时间超过30分钟后，βYb/Lu不再增大，趋于平衡；在混合萃取时间和澄清时间相同条件下，Yb、Lu的分离系数βYb/Lu随着温度的升高，先呈上升趋势，等到温度超过50℃后，βYb/Lu不再增大，趋于平衡。

关键词：
分析化学
分离系数
发光材料
有机夹带
温度
澄清时间
重稀土
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现今稀土元素被广泛应用于发光材料，电子通讯，磁性材料，冶金，陶瓷等领域[1]。稀土元素通常分为二组：轻稀土和重稀土。重稀土储量少，缺口大，价值昂贵，可替代性小。因此，发展环境友好、高效的重稀土分离工艺对于我国稀土冶金行业至关重要[2,3]。在行业内，Tm、Yb、Lu的分离是重稀土中的难题[4]，因实际生产中，原料Yb含量高，导致高纯度Lu制备困难，因此本文以Yb、Lu元素分离作说明。在工业设计、生产中，影响投资成本和运行成本的主要是澄清时间和分离系数[5]，在产能一定条件下，通过加热槽体温度，可以有效降低澄清时间和提高分离系数，从而在设计中降低萃取槽体积和缩减槽体级数，降低投资和生产成本。但温度过高，将导致能耗和萃取剂挥发损失增加，因此本文通过考察澄清时间、温度对萃取分离系数的影响，以期为提升重稀土分离效率，提高产品纯度，降低生产成本等问题提供有益启示。

1、实验方法

1.1实验原料和仪器

盐酸、氨水、一定配比P507、混合氯化重稀土溶液均采用长汀金龙稀土公司提供工业原料，混合氯化重稀土溶液稀土含量（以REO计）为300g/L。其中Yb2O3/REO=88%、Lu2O3/REO=12%。分析检测采用分析纯试剂。主要仪器和设备有ULTIMA2型ICP发射光谱仪，HH-S4电热数显恒温水浴锅，PJ120数显搅拌器。

1.2实验方法

1.2.1澄清时间对分离系数的影响

取混合氯化稀土料液和行业通用的一定配比P507萃取剂，按相比1∶1在恒温水浴锅中，温度控制20℃，使用搅拌器混合搅拌30分钟后，静置澄清，按不同的澄清时间（10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min），测定萃余液水相Yb、Lu的含量，同时对负载有机相用5.5mol/L盐酸反萃两次，总相比1∶1，测定反萃液中Yb、Lu的含量。计算Yb、Lu分配比（DYb、DLu）及分离系数βYb/Lu。研究澄清时间对βYb/Lu的影响。分配比的计算公式见式（1）。

式（1）中：DYb为Yb的分配比；

Co-Yb为有机相中Yb的浓度，mol/L;

Ca-Yb为水相中Yb的浓度，mol/L。

分离系数βYb/Lu的计算公式见式（2):

式（2）中：βYb/Lu为Yb与Lu的分离系数；

DYb为Yb的分配比；

DLu为Lu的分配比。

1.2.2温度对分离系数的影响

取混合氯化稀土料液和萃取剂，按相比1∶1在恒温水浴锅中，控制不同温度（20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃），使用搅拌器混合搅拌30分钟后，静置澄清，在相同澄清时间（10min），测定萃余液水相Yb、Lu的含量，同时对负载有机相用5.5mol/L盐酸反萃两次，总相比1∶1，测定反萃液中Yb、Lu的含量。计算Yb、Lu分配比（DYb、DLu）及分离系数βYb/Lu。研究温度对βYb/Lu的影响。

1.3测试与分析

澄清时间，使用秒表测定；混合稀土浓度采用EDTA络合滴定法测定；Yb、Lu含量测定采用ICP发射光谱仪。

2、实验结果与讨论

2.1澄清时间对βYb/Lu的影响

以澄清时间t作为自变量，分离系数βYb/Lu作为因变量作图，结果如图1所示。

图1澄清时间对分离系数的影响

从图1可以看出，在相同温度和混合萃取时间条件下，Yb、Lu的分离系数βYb/Lu随着澄清时间的增加，先呈上升趋势；当澄清时间超过30分钟后，βYb/Lu不再增大，趋于平衡。

前期，βYb/Lu随着澄清时间的增加，呈上升趋势，经分析，这可能是在搅拌混合过程中，水相料液形成不同粒径的小颗粒，分散在有机相中，搅拌停止后，在重力作用下，水相小颗粒不断沉降，并在沉降过程中互相撞击、聚并，从而聚结变大，最终与有机相分离[6]。当大部分水相聚结变大，与有机分离后，少部分的小颗粒沉降速度慢，造成澄清时间不足时，有机相中夹带少量水相，有机相用盐酸反萃后，反萃液中Yb含量升高，导致计算结果βYb/Lu减小。随着澄清时间增加，有机相中夹带的水相不断减少，βYb/Lu逐渐上升。当有机相中夹带的水相少于0.01%后，βYb/Lu不再增大，趋于平衡。

2.2温度对分离系数的影响

以温度T作为自变量，分离系数βYb/Lu作为因变量作图，结果如图2所示。

图2温度对分离系数的影响

从图2可以看出，在混合萃取时间和澄清时间相同条件下，Yb、Lu的分离系数βYb/Lu随着温度的升高，先呈上升趋势；当温度超过50℃后，βYb/Lu不再增大，趋于平衡。

前期，βYb/Lu随着温度的上升，呈上升趋势，经分析，这可能是在相同澄清时间内，随着温度的上升，有机相中夹带的水相不断减少，βYb/Lu逐渐上升。一方面，随着温度上升，布朗运动越剧烈，小颗粒水相撞击、聚并加快[7]；另一方面，随着温度上升，作为连续相的有机粘度不断降低，有利于水相的聚结、沉降，有机夹带量减少[8]。当温度超过50℃后，有机相中夹带的水相少于0.01%，βYb/Lu不再增大，趋于平衡。

3、结论

1）在相同温度和混合萃取时间条件下，Yb、Lu的分离系数βYb/Lu随着澄清时间的增加，先呈上升趋势；当澄清时间超过30分钟后，βYb/Lu不再增大，趋于平衡。

2）在混合萃取时间和澄清时间相同条件下，Yb、Lu的分离系数βYb/Lu随着温度的升高，先呈上升趋势；当温度超过50℃后，βYb/Lu不再增大，趋于平衡。

参考文献:

[1]吴文远.稀土冶金学[M].北京:化学工业出版社｡2005:13-165.

[2]刘光华,孙洪志,李红英.稀土材料与应用技术[M].北京:化学工业出版社,2005:150-156.

[3]徐光宪.稀土[M].北京:冶金工业出版社,1995:587-589.

[4]焦云芬,何小林,廖春发,等.进十年来重稀土元素分离与提纯技术研究进展.综合评述.2013,34(4):5-8.

[5]廖春生,程福祥,吴声,严纯华.串级萃取理论的发展历程及最新进展[J].中国稀土学报,2017,35(1):11-13.

[6]吕宇玲,何利民,丁慎圆.原油-水分散流中液滴粒径及压降规律研究[J].工程热物理学报,2013,(3):472-475.

[7]关舒月,张明,张师平,等.密立根油滴实验中的布朗运动[J],大学物理,2019,38(6):15-18.

[8]吴雨馨,唐巧,张姬一哲,等.混合澄清槽混合与澄清特性的规律研究[J].化工学报,2019,70(10):18-22.