CN106086436B - 一种从拜耳赤泥中选择性浸出钪和钠的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明主要属于火法－湿法冶金技术领域，具体涉及一种从拜耳赤泥中选择性浸出钪和钠的方法。所述方法不仅可以实现赤泥中稀贵金属元素钪和含量较高的钠元素浸出，还实现了赤泥中钪与铁元素的分离。根据赤泥中钪的赋存形态，采用浓硫酸混匀，低温硫酸盐化后；再进行中温焙烧，在盐化和中温焙烧的同时回收逸出的三氧化硫、二氧化硫或硫酸；待杂质硫酸盐物相分解后，水浸得到富钪钠低铁洗液。本发明所述方法制备获得的富钪钠低铁浸出液为后续离子交换、溶剂萃取和反萃取步骤提供了绝对优势；固液分离后得到的高铁低钠浸后渣可作为建材或高炉炼铁原料；另外，本发明所述方法中的所用试剂硫酸还可回收再利用，不产生新的污染。

Description

一种从拜耳赤泥中选择性浸出钪和钠的方法
技术领域
本发明主要属于火法－湿法冶金技术领域，具体涉及一种从拜耳赤泥中选择性浸出钪和钠的方法。
背景技术
拜耳赤泥是在铝土矿拜耳法提取氧化铝过程中产生的副产物。2015年全球冶金级品位氧化铝产量约为108万吨，预估去年赤泥产生量约为110~200万吨。拜耳赤泥中有价元素种类繁多，如铁、铝、钠、钛、钙和稀贵金属等，其中铁含量一般在7~72%之间。由于其高碱性、重金属和放射性元素存在，简单地堆置赤泥不仅占用空间而且可能引起环境问题，如地下水污染，粉尘等事故。
钠离子由于脱硅产物如钠霞石、钙霞石、方钠石的形成而最后累计于赤泥中，其存在限制了赤泥在建材方面的应用，这主要是由于混泥土里面的钠离子会引起碱骨料“冒霜”效应，从而影响建材原料如水泥的性能。虽然赤泥中铁含量很高，同样因为钠离子的存在而限制了赤泥作为炼铁原料，这主要是由于钠离子被炭还原后，低熔点的碱金属钠在高炉内反复循环而腐蚀炉衬。
在赤泥浸出回收钪方面，已有较多研究。已有研究者指出钪元素的赋存形态主要以类质同像形式存在于铁氧化物或金红石中。在拜耳工艺过程中，铝土矿中的含铁矿相基本不发生变化，所以98%钪富集在赤泥中。因此，若想从赤泥中提取的钪稀贵元素，就首先要破坏氧化铁和金红石等矿物结构。目前，大多数研究人员采用矿物酸如盐酸、硝酸、硫酸直接破坏氧化铁和金红石矿物结构，在浸出赤泥中的稀土元素的同时，主要金属元素也被浸出。另外，在这些方法中，通常为了获得较高的目标稀土元素浸出率还需要较高浓度的矿物酸；这不仅会增加酸耗量，而且会增加非目标元素的浸出，也为后续步骤如离子交换或溶剂萃取增加难度。特别是在铁离子与钪离子的分离过程，一方面由于其离子半径的相近而使分离较难；另一方面由于铁离子较易发生水解，水解产物Fe(OH)3具有较强吸附作用，从而阻止目标元素钪的分离。因此，在提取稀土元素的浸出液中，铁离子通常被认为杂质元素。
另外，有研究人员在用离子液体选择性直接浸出赤泥中的稀土元素方面，也取得了较好的效果。然而，在用离子液体选择性直接浸出赤泥中的稀土元素方法的过程中通常酸耗、洗涤水用量较大；另外，在浸出渣与离子液体分离时，由于物理夹带会引起离子液体不必要的损失；再者，离子液体较为昂贵。
目前，国内还没有可以从赤泥中选择性的浸出钪和钠的具体措施。当前大部分回收工艺对有价金属元素不具有选择性；此外，大多数工艺较为复杂、酸耗量大且不可回收。因此，若能找到一种工艺简单，浸出剂可回收再利用，不产生新的污染物的方法就显得非常有现实意义。
发明内容
针对赤泥有价元素浸出技术中存在的上述问题，本发明提供一种从拜耳赤泥中选择性浸出钪和钠的方法。本发明所述方法制备获得的富钪钠低铁浸出液为后续离子交换、溶剂萃取和反萃取步骤提供了绝对优势；制备得到的高铁低钠浸后渣可作为建材或高炉炼铁原料；另外，本发明所述方法中的所用试剂硫酸还可回收再利用，不产生新的污染。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种从拜耳赤泥中选择性浸出钪和钠的方法，所述方法包括以下步骤:
（1）将拜耳赤泥与硫酸按照一定比例进行混合，利用硫酸将拜耳赤泥在低温条件下完全盐化，获得硫酸盐化赤泥；
（2）将步骤（1）制备获得的所述硫酸盐化赤泥进行中温焙烧，获得焙烧产物，所述焙烧产物包括易溶解的钪和钠的硫酸盐以及不易溶解的杂质矿物；
（3）将步骤（2）中制备获得的所述焙烧产物进行水浸，然后固液分离，获得富钪钠低铁浸出液以及高铁低钠浸后渣。
进一步地，步骤（1）中，利用硫酸将拜耳赤泥在低温条件下完全盐化的条件具体为：温度100~150 ℃，保温时间20~60 min。关于盐化条件，若温度过高会导致硫酸的挥发损失；不加热或温度过低将不利于赤泥硫酸化过程的进行。在步骤（1）的盐化条件下，既能够使硫酸的挥发损失降到最低，又能够使拜耳赤泥充分地快速地被硫酸盐化；进一步地，步骤（1）中，所述硫酸的质量浓度为65 wt%~80 wt%。并且在拜耳赤泥完全盐化后生成的硫酸盐化的赤泥中，钪、钠、铁、铝主要以Na3Sc(SO4)3、NaFe(SO4)2和NaAl(SO4)2的形式存在。
进一步地，步骤（1）中，将拜耳赤泥与硫酸按照料液比1:1-3的混合比例进行混合。
进一步地，步骤（2）中，所述中温焙烧的条件具体为：焙烧温度为700~800 ℃，焙烧时间为30~80 min。
进一步地，步骤（2）中，所述中温焙烧的条件具体为：焙烧温度为700~800 ℃，焙烧时间为30~80 min。步骤（2）借助硫酸盐矿物分解温度不同的原理，中温焙烧的条件必须严格控制，只有在焙烧温度为700~800 ℃，焙烧时间为30~80 min才能得到易溶解的钪和钠的硫酸盐以及不易溶解的杂质矿物（包括铁氧化物和铝氧化物）。
中温焙烧的机理为：在步骤（2）中温焙烧条件下进行中温焙烧，可以控制在中温焙烧过程中，首先是NaFe(SO4)2分解为硫酸钠和硫酸铁，硫酸铁再分解为Fe2O3 ；在大部分的NaFe(SO4)2被分解后，NaAl(SO4)2才开始分解为硫酸钠和硫酸铝，硫酸铝再分解为Al2O3。NaAl(SO4)2和Al2(SO4)3极易水解，经过中温焙烧焙烧过程，其中的铝以Al2O3的形式存在，所以其中的铝在后续水浸步骤中不易被浸出。
又因为Na2SO4开始分解温度约为870 ℃，所以控制温度低于870 ℃可以保证分解产生的Na2SO4不被进一步分解。
钪以Na3Sc(SO4)3形式存在，为了保证Na3Sc(SO4)3的不分解，控制中温焙烧过程中焙烧温度不应过高（800℃）。
另外，焙烧时间需要控制在30~80 min，不宜过长，否则会引起分解产物的颗粒团聚，进而影响目标元素浸出率。
进一步地，在步骤（3）中，将所述易溶解焙烧产物进行水浸的具体条件为：浸出温度20~95 ℃，料液比1：5~20 ，浸出时间10~120 min，浸出搅拌强度200~1000 rpm；步骤（3）利用了各矿物在水溶液中的溶解特性差别，选择性的浸出稀贵金属钪和碱金属钠元素，此步骤中必须严格控制水浸条件，才可以保证稀贵金属钪和碱金属钠元素的充分浸出。
进一步地，在步骤（1）盐化以及步骤（2）中温焙烧过程中，回收再利用挥发逸出的硫酸分子、三氧化硫或二氧化硫。
本发明的有益技术效果：
1）本发明所述方法不仅可以实现赤泥中稀贵金属元素钪的浸出和含量较高的钠元素回收浸出，最重要的是还实现了赤泥中钪与铁元素的分离；
2）本发明通过中温焙烧，将杂质对应的硫酸盐（如硫酸铁、硫酸铝）转化为对应氧化物后而使之不能够被浸出，从而解决了普通矿物酸浸过程中的盲目性，实现了钪、铁元素的基本分离，减小了后续离子交换和溶剂萃取的困难；
3）回收再利用了硫酸，降低了矿物酸的消耗，从而降低了成本；
4）低温常压水浸过程降低了对设备的要求，且整个工艺过程不产生新的污染物；
5）制备得到的高铁低钠浸后渣中钠含量低于原来含量的20%，因此高铁低钠浸后渣可作为建材或高炉炼铁原料。
附图说明
图1中温焙烧后的焙烧产物的X-射线衍射图（XRD）；
图2中温焙烧后的焙烧产物的扫描电镜图（SEM）。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
一种从拜耳赤泥中选择性浸出钪和钠的方法，所述方法包括以下步骤:
（1）将拜耳赤泥与质量分数为65%的浓硫酸按照料液比1 g: 1.5（g:ml） 的比例进行混合，利用硫酸将拜耳赤泥在低温条件下完全盐化，使赤泥矿物转变为对应的硫酸盐，获得硫酸盐化赤泥；其中盐化的条件具体为：温度120 ℃，保温时间20min；
（2）将步骤（1）制备获得的所述矿物酸盐化赤泥进行中温焙烧，借助硫酸盐化赤泥中不同硫酸盐的矿物分解温度不同，从而得到焙烧产物，所述焙烧产物包括易溶解的钪和钠的硫酸盐以及不易溶解的杂质矿物；所述杂质矿物包括铁氧化物和铝氧化物；所述中温焙烧的条件具体为：焙烧温度为750 ℃，焙烧时间为40 min；
（3）将焙烧产物冷却至250℃后取出，进行水浸，进行水浸的具体条件为：浸出温度50 ℃，料液比1：10（g：mL） ，浸出时间120 min，浸出搅拌强度400 rpm；
（4）进行固液分离，获得高铁低钠浸后渣和富钪钠低铁浸出液。
在本实施例中，钪的浸出率为64.4%，钠的浸出率为82.4%，铁浸出率低于1.5%，铝浸出率为10.1%。图1和图2分别是中温焙烧后的焙烧产物的X-射线衍射图（XRD）及扫描电镜图（SEM）。由图1和图2可知：焙烧产物中铁主要以氧化铁形式存在，为钪铁分离提供了理论支撑（见图1）；并且焙烧产物以多孔形态存在，为固液分离提供了便利条件（见图2）。
实施例2
一种从拜耳赤泥中选择性浸出钪和钠的方法，所述方法包括以下步骤:
（1）将拜耳赤泥与质量分数为75%的浓硫酸按照料液比为1 : 1.5（g:ml） 的比例进行混合，利用浓硫酸将拜耳赤泥在低温条件下完全盐化，使赤泥矿物转变为对应的硫酸盐，获得硫酸盐化赤泥；其中盐化的条件具体为：温度150 ℃，保温时间20min；
（2）将步骤（1）制备获得的所述矿物酸盐化赤泥进行中温焙烧，借助硫酸盐化赤泥中不同硫酸盐的矿物分解温度不同，从而得到焙烧产物，所述焙烧产物包括易溶解的钪和钠的硫酸盐以及不易溶解的杂质矿物；所述杂质矿物包括铁氧化物和铝氧化物；所述中温焙烧的条件具体为：焙烧温度为750 ℃，焙烧时间为40 min；
（3）将焙烧产物冷却至250℃后取出，进行水浸，进行水浸的具体条件为：浸出温度50 ℃，料液比1：7（g：mL） ，浸出时间120 min，浸出搅拌强度400 rpm；
（4）进行固液分离，获得高铁低钠浸后渣和富钪钠低铁浸出液。
在本实施例中，钪的浸出率为71.7%，钠的浸出率为100%，铁浸出率2.1%，铝浸出率为11.4%。

Claims (4)

1.一种从拜耳赤泥中选择性浸出钪和钠的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:
（1）将拜耳赤泥与硫酸按照一定比例进行混合，利用硫酸将拜耳赤泥在低温条件下完全盐化，获得硫酸盐化赤泥；
（2）将步骤（1）制备获得的所述硫酸盐化赤泥进行中温焙烧，获得焙烧产物，所述焙烧产物包括易溶解的钪和钠的硫酸盐以及不易溶解的杂质矿物；
（3）将步骤（2）中制备获得的所述焙烧产物进行水浸，然后固液分离，获得富钪钠低铁浸出液以及高铁低钠浸后渣；
步骤（1）中，利用硫酸将拜耳赤泥在低温条件下完全盐化的条件具体为：温度100~150℃，保温时间20~60 min；
步骤（2）中，所述中温焙烧的条件具体为：焙烧温度为700~800 ℃，焙烧时间为30~80min；
在步骤（3）中，将所述易溶解焙烧产物进行水浸的具体条件为：浸出温度20~95 ℃，料液比1g：5~20mL ，浸出时间10~120 min，浸出搅拌强度200~1000 rpm。
2.根据权利要求1所述一种从拜耳赤泥中选择性浸出钪和钠的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述硫酸的质量分数为65 wt%~80 wt%。
3.根据权利要求1所述一种从拜耳赤泥中选择性浸出钪和钠的方法，其特征在于，步骤（1）中，将拜耳赤泥与硫酸按照料液比1g:1-3mL的混合比例进行混合。
4.根据权利要求1所述一种从拜耳赤泥中选择性浸出钪和钠的方法，其特征在于，在步骤（1）盐化以及步骤（2）中温焙烧过程中，回收再利用挥发逸出的硫酸分子、三氧化硫或二氧化硫。
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