CN117684028A - 一种从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于稀土元素回收技术领域,公开了一种从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法,本方法先将磷酸类萃取剂和溶剂油混合,制得混合液一,再将含钪草酸废水过滤,按有机相与水相的体积比为1:20~30将混合液一与过滤后的含钪草酸废水混合,逆流萃取、搅拌、澄清,得到混合液二,随后使用掺有乙醇的碱性溶液反萃混合液二中的有机相,得到氢氧化钪,再使用盐酸溶液酸溶氢氧化钪,最后使用草酸溶液沉钪,得到草酸钪并在高温环境下煅烧草酸钪,得到氧化钪,通过上述设计,使本申请的氧化钪回收率达到97.9%,同时,通过本方法回收的氧化钪具有不低于99.5%的纯度。
Description
技术领域
本申请涉及稀土元素回收技术领域,尤其涉及一种从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法。
背景技术
钪(Sc)在自然界中广泛存在,平均丰度不低,在地壳中的丰度约为36×10-4%,但其分布极为分散,常给人以极其稀少的印象,同时独立的钪矿物资源极其稀少,绝大多数钪都是以矿物伴生形式分散于钨、铝、钒、钛、锆矿床及部分稀土矿中,提取及深加工方面的研究比较困难。钪及其化合物主要应用在Al-Sc合金材料、钪钠卤灯、固体氧化物燃料电池等方面,由于独立的钪矿物资源极其稀少导致其价格较为昂贵,限制了其在航空、激光、电子等领域的广泛应用。目前虽然国内外生产钪及相关产品的公司多但总产量不高,并且根据国际阿达玛斯情报研究中心数据可知,未来国际上对钪需求量巨大,长期处于供不应求的局面。因此,为缓解钪的供需不平衡关系,从多种渠道的不同物料中回收钪具有重要意义。
目前氧化钪的生产过程通常采用草酸溶液进行金属钪的沉淀,但是沉淀后的草酸废液体积大、酸性高,还含有微量有价金属钪。对于草酸废液的处理,一般是选择碱性物质进行中和处理后排放,该方式造成能耗高、成本高,同时产生的草酸钙难以处理,而且存在环保风险;或者是对废酸进行再分离、除杂等一系列酸回收措施,该工艺过程冗长、设备复杂、生产成本高;而直接用草酸废液进行再沉淀容易导致杂质在产品中富集,降低产品的纯度等问题。因此,草酸废液的合理处置显得尤为重要。
中国专利申请200910090880.5公开了一种萃取分离稀土元素的工艺,该工艺至少包括下述步骤:
(1)将空白有机萃取剂与镁和/或钙的有机酸盐水溶液、稀土溶液同时或分步混合进行预萃取,稀土离子被萃入有机相中,经过澄清,得到负载有机相和萃余水相,负载有机相中稀土含量REO为0.05-0.23mol/L,萃余水相pH值为1.5-5,所述镁和/或钙的有机酸盐水溶液由镁和/或钙矿物经过焙烧-有机酸溶解方法制备;
(2)将含稀土离子的负载有机相用于含2种或2种以上稀土元素的稀土料液进行萃取分离,经过多级萃取、洗涤、反萃,得到含不同稀土元素的萃余液、洗液和反萃液产品;或将含稀土离子的负载有机相直接用盐酸或硝酸反萃,得到含REO0.1-2mol/L的混合氯化稀土溶液或混合硝酸稀土溶液,该溶液经过浓缩结晶生产混合氯化稀土或混合硝酸稀土产品,或进一步萃取分离生产单一稀土化合物产品;
该方案将P507、P204、C272、环烷酸等酸性有机萃取剂与镁和/或钙的有机酸盐水溶液、稀土溶液进行混合萃取,稀土离子被萃入有机相中,经过澄清,得到含稀土离子的负载有机相用于混合稀土料液的萃取分离,并经过多级萃取分离,得到单一稀土化合物或几种稀土的富集物。所用镁和/或钙的有机酸盐水溶液由菱镁矿、石灰石、方解石、白云石等矿物经过焙烧-有机酸溶解制备,硅、铁、铝等杂质含量低,预萃取及萃取分离过程不产生三相物,不影响产品纯度,而且有机相不用氨皂化,不产生氨氮废水,从源头消除氨氮废水对环境的污染,并大幅度降低稀土产品生产成本,节省大量三废处理费用。
通过上述方案的描述可知,上述方案在萃取稀土溶液中的稀土元素时,含镁和/或钙的有机酸盐水溶液是必不可少的,同时尽管上述方案公开了P507、P204、C272等萃取剂能够用于萃取稀土元素,但上述方案并未使用反萃法对稀土元素进行萃取,可见上述方案与本申请的工艺路线有明显的区别。
中国专利申请201310010538.6公开了一种钛白生产废酸中钪的萃取回收方法,该方法包括以下步骤:
(1)萃取:在萃取槽内对钛白生产废酸水采用P204—TBP—煤油萃取剂经1级~6级萃取,萃取剂与废酸的体积比为1:5~30,混合时间为5min~20min,得到含钪有机相,萃余液中钪浓度<1mg/L;
(2)洗涤:将步骤⑴得到的含钪有机相用2mol/L~4mol/L的硫酸及浓度为27﹪的双氧水洗涤,含钪有机相与硫酸的体积比为1:1/3~3,双氧水加入量为硫酸体积的1﹪~10﹪;
(3)循环萃取:将步骤⑵洗涤后的含钪有机相作为萃取剂重复步骤⑴和步骤⑵,定时检测萃余液中钪的浓度,直至萃余液中钪浓度>2mg/L;
(4)反萃:将步骤⑶得到的含钪有机相在反应釜内用氢氧化钠溶液反萃;
(5)酸溶、沉淀:将步骤⑷得到的反萃液过滤得氢氧化钪碱饼,将氢氧化钪碱饼用盐酸或硫酸溶解,过滤后,用草酸沉淀得到草酸钪;
(6)灼烧:将步骤⑸得到的草酸钪于马弗炉内灼烧,得到氧化钪。
该方案通过上述设计,减少了反萃的次数,降低了人工成本,提高了钪的收率。
但是需要注意的是,该方案中反萃过程中使用的碱性溶剂为氢氧化钠溶剂,虽然本申请在实际使用过程中发现也能够使用氢氧化钠溶液反萃得到氢氧化钪中间体,但对回收率、纯度等进行进一步的对比后,发现单纯的使用氢氧化钠溶液进行反萃后,反萃过程的耗时仍有一定的提升空间。
中国专利申请201310303019.9公开了一种从含钪和钛的废酸液中提取高纯氧化钪及钛的方法,该方法包括以下步骤:
a、原料处理:将含钪和钛的废酸液过滤,并调节酸浓度;废酸液中主要含硫酸时,控制硫酸浓度2.5~3mol/L;废酸液中主要含盐酸时,控制盐酸浓度为1.5~3.0mol/L;
b、萃取和反萃:用箱式混合澄清槽对步骤a处理后的废酸液进行3~5级连续萃取,然后采用混合碱溶液进行单级反萃;
c、磷酸钛或二氧化钛的制取:将步骤b反萃得到的固体物质用浓硫酸或浓盐酸溶解,调节酸度,硫酸体系调节酸度为2.5~3mol/L,盐酸体系调节酸度为1.5~3.0mol/L;将调节酸度后的溶液加热至沸腾,沸腾30~120分钟后,按溶液体积为基准加入4%双氧水和5%磷酸溶液或者只加入4%双氧水;反应后冷却至室温进行过滤,收集滤液;滤渣用蒸馏水洗涤后送入600~980℃的煅烧设备中煅烧2~8小时,得到纯度大于98%的磷酸钛或二氧化钛;
d、萃取、逆流洗涤和反萃:将步骤c得到的滤液用箱式混合澄清槽进行4~6级连续萃取,然后用含硫酸和双氧水的溶液进行6~12级逆流洗涤,再用混合碱溶液进行两级反萃;
e、将步骤d反萃得到的固体物质用步骤c相同的方式处理,得到纯度大于98%的磷酸钛或二氧化钛以及滤液;
f、向步骤e得到的滤液中加入氨水或碳酸钠,调整pH值至0.5~2,再加入EDTA、酒石酸和草酸,反应后过滤得到草酸钪复合盐;
g、将草酸钪复合盐用水洗涤后,用4~6mol/L的分析纯硫酸或2~3mol/L的分析纯盐酸进行加热溶解,过滤得纯净滤液;
h、向步骤g得到的纯净滤液中加入硫酸钾,反应后过滤得到硫酸钪钾复合盐沉淀,硫酸钪钾复合盐经洗涤后用18~22%的液碱进行碱转化,过滤得到氢氧化钪固体;
i、将步骤h得到的氢氧化钪固体洗涤后,用步骤g和h相同的方式进行加热溶解、加入硫酸钾沉淀,再碱转化得到纯度不低于99.9%氢氧化钪固体;
j、将步骤i得到的氢氧化钪固体洗涤后,用2~3mol/L的分析纯盐酸进行加热溶解,过滤得纯净滤液,再加入氨水或碳酸钠,调整pH值至0.5~2,再加入草酸或草酸铵,反应后过滤得到草酸钪,草酸钪经洗涤后在600~800℃温度下煅烧得到高纯度氧化钪产品;
通过上述方案可见,尽管该方案在步骤a中给出的两种废酸的可能出现的情况分别为主体为硫酸的废酸和主体为盐酸的废酸并未包含主体为草酸的废酸,但仍具有一定的借鉴意义,首先该方案在步骤b中使用混合碱溶液对废酸液进行反萃,并且,进一步观察可知,该方案的混合碱溶液包含氢氧化钠、氯化钠和按重量计为5~8%的乙醇。
本方案需要解决的问题:如何提供一种从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法,同时该方法具有较高的氧化钪回收率。
发明内容
本申请的目的是提供一种从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法,同时该方法具有较高的氧化钪回收率。
为实现上述目的,本申请公开了一种从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法,包括以下步骤:
步骤1:将磷酸类萃取剂和溶剂油混合,制得混合液一;
步骤2:将含钪草酸废水过滤,按有机相与水相的体积比为1:20~30将步骤1制得的混合液一与过滤后的含钪草酸废水混合,1~3级逆流萃取,随后搅拌、澄清,得到混合液二;
步骤3:使用碱性溶液反萃步骤2制得的混合液二中的有机相,得到氢氧化钪,碱性溶液为掺有乙醇的碱性溶液,乙醇在碱性溶液中的质量分数为0.1~3%;
步骤4:使用盐酸溶液酸溶步骤3制得的氢氧化钪,再用草酸溶液沉钪,得到草酸钪,随后在650~850℃的温度下对草酸钪煅烧2~4h,得到氧化钪。
需要说明的是,在实际使用过程中,溶剂油的作用仅用于稀释萃取剂,实质上对钪的回收并不起决定性作用,在实际操作时,我们可以选择轻质白油、煤油、磺化煤油中的任一物质作为溶剂油使用。
优选地,步骤1中,磷酸类萃取剂选自P204、P507、C272中的至少一种。
优选地,混合液一中,磷酸类萃取剂和溶剂油的质量比为10~20:80~90。
优选地,所述含钪草酸废水是指含有钪单质或钪离子的含钪草酸废水。
优选地,步骤3具体为:采用掺有乙醇的碱性溶液反萃步骤2制得的混合液二中的有机相,反应温度70~80℃,有机相与水相的体积比为1:1~1.2,反应时间0.5~2h,得到氢氧化钪。
优选地,步骤3中的碱性溶液选自浓度为2~3mol/L的氨水、浓度为2~3mol/L的氢氧化钠溶液中的至少一者。
优选地,步骤4具体为:将步骤3制得的氢氧化钪按固液比为1:3~6,使用1~3mol/L盐酸溶液进行酸溶,再用草酸溶液进行沉钪,草酸溶液中草酸的摩尔量与氢氧化钪的摩尔量之比为1.8~2.1:1,反应时间1~4h,反应温度60~70℃,反应结束后得到草酸钪,随后在650~850℃条件下将草酸钪煅烧2~4h得到氧化钪。
优选地,氧化钪回收率不低于97.9%。
优选地,回收得到的氧化钪的纯度不低于99.5%。
本申请的有益效果是:本申请所提供的从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法,通过在反萃过程中对碱性溶液的复配及乙醇添加量的进一步优化,提升了从草酸废水中回收氧化钪时氧化钪的回收率并减少了反萃过程所需要的时间。
具体实施方式
下面将结合本申请的实施例,对本申请进行清楚、完整地描述,在本申请的描述中,需要说明的是,实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
步骤1:将P204和轻质白油按20:80的质量比混合,制得混合液一。
步骤2:将含钪草酸废水中的固态杂质过滤,得到澄清溶液,按有机相与水相的体积比为1:20将步骤1制得的混合液一与过滤后的含钪草酸废水混合,3级逆流萃取,随后搅拌时间5min,澄清时间30min,得到混合液二;
步骤3:通过分相混合液二中的有机相分离,随后使用2mol/L的氢氧化钠溶液,反萃步骤2制得的混合液二分离出的有机相,且氢氧化钠溶液中掺杂有质量分数为0.1%的乙醇,反应温度70℃,有机相与水相的体积比为1:1,反应时间2h,得到氢氧化钪;
步骤4:将步骤3制得的氢氧化钪物料按固液比1:3,使用1mol/L盐酸溶液进行酸溶,再用草酸溶液进行沉钪,草酸溶液中草酸的摩尔量与氢氧化钪的摩尔量之比为1.8:1,反应时间1h,反应温度60℃,在650℃条件下将草酸钪煅烧2h得到纯度99.7%的氧化钪,回收率为98.3%。
同时,需要说明的是,在实际的生产过程中,为了降低生产成本,我们还可以对萃取后的草酸萃余液进行回收,首先对草酸萃余液进行除油处理,再将除油后草酸萃余液加入蒸发,当溶液中草酸浓度达到800~900g/L后,停止蒸发,液冷却至30℃以下,过滤得到高纯草酸和蒸发母液;同时,溶液中的盐酸在蒸发浓缩过程中形成的蒸汽也可收集制成稀盐酸溶液。
实施例2
步骤1:将P507和煤油按10:90的质量比混合,制得混合液一。
步骤2:将含钪草酸废水中的固态杂质过滤,得到澄清溶液,按有机相与水相的体积比为1:30将步骤1制得的混合液一与过滤后的含钪草酸废水混合,1级逆流萃取,随后搅拌时间5min,澄清时间30min,得到混合液二;
步骤3:通过分相混合液二中的有机相分离,随后使用3mol/L的氨水溶液,反萃步骤2制得的混合液二中分离出的有机相,且氨水溶液中掺杂有质量分数为3%的乙醇,反应温度80℃,有机相与水相的体积比为1:1.2,反应时间0.5h,得到氢氧化钪;
步骤4:将步骤3制得的氢氧化钪物料按固液比1:6,使用3mol/L盐酸溶液进行酸溶,再用草酸溶液进行沉钪,草酸溶液中草酸的摩尔量与氢氧化钪的摩尔量之比为2.1:1,反应时间4h,反应温度70℃,在850℃条件下将草酸钪煅烧2h得到纯度99.5%的氧化钪,回收率为97.9%。
实施例3
步骤1:将C272和磺化煤油按15:85的质量比混合,制得混合液一。
步骤2:将含钪草酸废水中的固态杂质过滤,得到澄清溶液,按有机相与水相的体积比为1:25将步骤1制得的混合液一与过滤后的含钪草酸废水混合,2级逆流萃取,随后搅拌时间5min,澄清时间30min,得到混合液二;
步骤3:通过分相混合液二中的有机相分离,随后使用2.5mol/L的氢氧化钠溶液,反萃步骤2制得的混合液二中分离出的有机相,且氢氧化钠溶液中掺杂有质量分数为1.5%的乙醇,反应温度75℃,有机相与水相的体积比为1:1.1,反应时间1h,得到氢氧化钪;
步骤4:将步骤3制得的氢氧化钪物料按固液比1:5,使用2mol/L盐酸溶液进行酸溶,再用草酸溶液进行沉钪,草酸溶液中草酸的摩尔量与氢氧化钪的摩尔量之比为2:1,反应时间3h,反应温度65℃,在800℃条件下将草酸钪煅烧4h得到纯度99.8%的氧化钪,回收率为98.85%。
实施例4
与实施例1基本相同,区别在于,步骤1的混合液一由C272和P507的混合萃取剂和轻质白油混合制得,混合萃取剂和轻质白油的质量比为20:80,且混合萃取剂中C272和P507的质量比为1:1,最终得到纯度99.9%的氧化钪,回收率为98.4%。
实施例5
与实施例1基本相同,区别在于,步骤3中,使用混合碱溶液对步骤2制得的混合液二中的有机相进行反萃,混合碱溶液为氢氧化钠和氨水混合制得的混合碱溶液,且氢氧化钠和氨水的质量比为1:1,混合碱溶液中掺杂有质量分数为0.1%的乙醇,最终得到纯度99.95%的氧化钪,回收率为98.5%。
实施例6
与实施例4基本相同,区别在于,步骤3中,使用混合碱溶液对步骤2制得的混合液二中的有机相进行反萃,混合碱溶液为氢氧化钠和氨水混合制得的混合碱溶液,且氢氧化钠和氨水的质量比为1:1,混合碱溶液中掺杂有质量分数为0.1%的乙醇,最终得到纯度99.96%的氧化钪,回收率为99.3%。
对比例1
与实施例1基本相同,区别在于,步骤3的氢氧化钠溶液中未添加乙醇,最终得到纯度99.3%的氧化钪,回收率为97.5%。
对比例2
与实施例1基本相同,区别在于,步骤3中乙醇的添加量为氢氧化钠溶液总质量的5%,最终得到纯度99.6%的氧化钪,回收率为98.3%。
对比例3
与实施例1基本相同,区别在于,步骤2中使用含钪硫酸废水代替含钪草酸废水,最终得到纯度92.4%的氧化钪,回收率为91.5%。
结果分析
1.通过实施例1-3可见,对从草酸废水中回收氧化钪过程中的工艺参数进行小范围的调整后,氧化钪的纯度、回收率等出现了一定程度的波动,但整体波动幅度不大,但尽管如此,由于实施例3的氧化钪纯度和回收率为实施例1-3中的最优结果,因此,我们有理由认为实施例3的工艺参数优于实施例1、2;
2.通过实施例4-6可见通过对萃取剂、碱性溶液的复配,对回收得到的氧化钪的纯度及回收率产生了一定程度的促进作用但并不明显,然而当实施例6同时进行萃取剂、碱性溶液的复配时,氧化钪的回收率取得相对实施例4、5更为明显的提升。
3.通过实施例1和对比例1-2可见,当改变乙醇的添加量后,对比例1、2的氧化钪纯度及回收率出现了小幅度的波动,但整体来说波动幅度可以接受,不过对比例1在实际操作过程中的反萃时间被延长,尽管氧化钪纯度及回收率的波动幅度可以接受,但在生产过程中生产效率同样是一个重要的参数,与此同时,对比例2相对实施例1在乙醇的添加量上有明显的提高,但在实际操作过程中,对比例2并不能有效的缩短反萃时间,同时氧化钪的回收率和氧化钪的纯度也没有与实施例1产生明显差距,我们认为在实际生产过程中生产成本和生产效率也是至关重要的,因此本申请乙醇的添加量为碱性溶液质量的0.1~3%;
4.通过实施例1和对比例3可见,尽管本申请所记载的方法在对含钪草酸废水的氧化钪回收方面取得了显著的效果,但将含钪草酸废水变为含钪硫酸废水后,氧化钪的回收率和纯度出现了明显的下降,可见该方法并非适用所有含钪酸性废水中氧化钪的提取。
Claims (9)
1.一种从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:将磷酸类萃取剂和溶剂油混合,制得混合液一;
步骤2:将含钪草酸废水过滤,按有机相与水相的体积比为1:20~30将步骤1制得的混合液一与过滤后的含钪草酸废水混合,1~3级逆流萃取,随后搅拌、澄清,得到混合液二;
步骤3:使用碱性溶液反萃步骤2制得的混合液二中的有机相,得到氢氧化钪,所述碱性溶液为掺有乙醇的碱性溶液,所述乙醇在碱性溶液中的质量分数为0.1~3%;
步骤4:使用盐酸溶液酸溶步骤3制得的氢氧化钪,再用草酸溶液沉钪,得到草酸钪,随后在650~850℃的温度下对草酸钪煅烧2~4h,得到氧化钪。
2.根据权利要求1所述的从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法,其特征在于,步骤1中,磷酸类萃取剂选自P204、P507、C272中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法,其特征在于,混合液一中,磷酸类萃取剂和溶剂油的质量比为10~20:80~90。
4.根据权利要求1所述的从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法,其特征在于,所述含钪草酸废水是指含有钪单质或钪离子的含钪草酸废水。
5.根据权利要求1所述的从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法,其特征在于,步骤3具体为:采用掺有乙醇的碱性溶液反萃步骤2制得的混合液二中的有机相,反应温度为70~80℃,有机相与水相的体积比为1:1~1.2,反应时间为0.5~2h,得到氢氧化钪。
6.根据权利要求5所述的从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法,其特征在于,步骤3中的碱性溶液选自浓度为2~3mol/L的氨水、浓度为2~3mol/L的氢氧化钠溶液中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法,其特征在于,步骤4具体为:将步骤3制得的氢氧化钪按固液比为1:3~6,使用1~3mol/L盐酸溶液进行酸溶,再用草酸溶液进行沉钪,所述草酸溶液中草酸的摩尔量与氢氧化钪的摩尔量之比为1.8~2.1:1,反应时间为1~4h,反应温度为60~70℃,反应结束后得到草酸钪,随后在650~850℃条件下将草酸钪煅烧2~4h得到氧化钪。
8.根据权利要求1所述的从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法,其特征在于,氧化钪回收率不低于97.9%。
9.根据权利要求1所述的从含钪草酸废水中回收氧化钪的方法,其特征在于,回收得到的氧化钪的纯度不低于99.5%。
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