碱熔-酸浸提取粉煤灰中稀土元素研究

发布时间：2020-11-10 02:08

　　 粉煤灰作为主要燃煤产物,富含多种重要金属元素。研究表明,煤及煤的燃烧产物中约含有5000万吨包括稀土(REE)在内的关键元素,相当于近50%的稀土矿资源储量。因此,研究从粉煤灰中提取稀土对资源循环利用及稀土战略安全具有重要意义。本文对提取粉煤灰中稀土的工艺和机理进行研究,主要包括:首先对粉煤灰中稀土元素的赋存状态进行了研究。利用数理统计并通过SPSS分析发现,稀土元素与Al、Si呈正相关,与Fe则呈现负相关。筛分试验结果表明,总稀土含量随着粒度的减小而增加,+100μm的颗粒中含量最低,为387.03 ppm;-10μm的颗粒中含量最高可达429.67 ppm。逐级化学提取结果表明,粉煤灰中稀土元素的主要载体为硅酸盐和铝硅酸盐型矿物,占比高达77.90%,其次为含硫化合物型矿物,占比仅为11.98%。稀土的其它存在形式约占总稀土的10.12%。结合前面相关性分析可以得出结论:粉煤灰中的大多数稀土都与硅酸盐或铝硅酸盐结合在一起。通过不同碱熔剂作用分析和动力学分析对碱熔过程的机理进行研究,并考察各因素对浸出效果的影响。通过热重分析观察反应发生的温度范围,并对产物进行XRD分析,研究发现Na_2CO_3、Na_2O_2、NaOH、KOH可破坏粉煤灰结构,使其转化为可溶性铝硅酸盐及其它硅酸盐矿物,从而提高稀土浸出率,尤以KOH最佳,Y、La、Ce、Pr、Nd的浸出率可分别达到85.47%,64.70%,77.22%,74.19%,69.38%。而NaCl、Ca(OH)_2不能破坏粉煤灰结构,对稀土的浸出作用不大。以Na_2CO_3为碱熔剂,通过条件实验,优化后的碱熔试验条件为:碱熔温度860℃,碱熔时间30 min,Na_2CO_3与粉煤灰的质量比1:1,Y、La、Ce、Pr、Nd的浸出率可分别达85.17%、47.21%、53.41%、53.24%、58.38%。采用Kissinger方法拟合的线性相关性(R~2)可达0.948,碱熔活化能E为895.52 kJ.mol~(-1),指前因子A为3.47×10~(41)min~(-1),反应速率常数K为1.68 min~(-1)。电位-pH图表明,在酸浸体系中,Y~(3+)、Ce~(3+)在H~+浓度较高的溶液中热力学区能稳定存在,而Ce~(4+)则不能稳定存在。通过条件实验与正交试验优化后的试验条件为:搅拌强度为400 r.min~(-1),盐酸浓度为3 mol.L~(-1),固液比为1:20 g.mL~(-1),总稀土元素的浸出率达到72.78%。采用收缩核模型对浸出过程中的动力学进行研究,结果表明用1-(1-α)1/3=k_1t方程与动力学数据拟合的结果中R~2值较高,相关性系数均在0.975以上,这说明稀土的浸出动力学模型符合收缩核模型。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TF845
【部分图文】：

验样品、设备、药剂及分析测试方法amples, Equipment, Agents and Analysis Methoesearch试验样品 (Samples of Research)论文使用粉煤灰样品来自贵州盘北燃煤电厂，其 XRD 图谱如图 3.1 所示RD 分析结果可知粉煤灰的主要物相组成为石英（SiO2），莫来l2O3.2SiO2）、赤铁矿（Fe2O3）、钙铝石（Ca12Al11O33）等矿物。原样学成分（以氧化物计）经 XRF 分析结果如表 3-1 所示，含量最高的的Si 和 Al，分别占了 52.97%和 25.39%。粉煤灰中各稀土元素含量如表 3总稀土含量达 494.76 ppm，其中 Y、 La、 Ce、 Pr 和 Nd 的占了总稀 86.84%。

硕士学位论文表 3-2 粉煤灰中各稀土元素含量（ppm）Table 3-2 rare earth elements content of fly ash (ppm)元素 Y La Ce Pr Nd Sm Eu Gd含量(ppm) 57.42 81.97 184.04 20.90 85.30 16.34 3.58 14.4元素 Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu含量(ppm) 2.08 12.46 2.35 6.49 0.91 5.68 0.81此外，使用扫描电镜观察粉煤灰的微观形貌，放大 5000 倍后的形貌如图 3-2示。粉煤灰呈较为规则的球形颗粒，表面相对光滑致密，一般以球形颗粒、玻质颗粒为主，无明显的孔洞。这是由于煤在燃烧过程中，煤灰会发生集聚并在温下熔融，此外受气流及外部压力的影响使得粉煤灰最终形成球形微珠状形貌06]。

图 4-1 粉煤灰中稀土含量与主要元素含量示意图Diagram of relationship between rare earth content and mainfly ash表 4-1 稀土与主要元素相关性分析of person correlation analysis between rare earth elements anKSiKAl0.890 0.594 中稀土元素在不同粒度级中的分布（lements in Fly Ash in Different Size Fract准 GB/T477-2008 进行的筛分试验被用于本节的分布。选择所需筛目尺寸（140、200、325 和筛的组合以依次湿润筛选。 -25μm 的粉煤灰颗，选择基于 Stokes 公式（4-1）的沉降法将-25μm 的v =ht=(ρs ρf)gd218μ
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本文编号：2877304