Технология извлечения редкоземельных элементов из шлака Кадамжайского сурьмяного комбината

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 669.054.82+622.8                               

Известно, что к редкоземельным металлам относятся: лантан, церий, неодим, празеодим, самарий, прометий, гадолиний, европий, тербий, гольмий, диспрозий, эрбий, иттербий, лютеций, тулий, скандий, иттрий. Установлено, что наружные электронные уровни этих атомов практически одинаковы, именно с этим связаны химические и физические свойства металлов.

Представители данной группы обладают довольно высокой реакционной способностью, которая усиливается при нагревании. Например, при повышенной температуре некоторые металлы способны реагировать с гидрогеном. Кроме того, при нагревании эти элементы взаимодействуют с кислородом, образовывая стойкие, нерастворимые в воде оксиды.

При горении металлов в атмосферном кислороде наблюдается выделение значительного количества тепла. Именно для этой группы характерна пирофорность — которые имеют свойства искриться в воздухе. Редкоземельные металлы могут также образовывать гидроксиды, которые плохо растворяются в воде и обладают некоторыми амфотерными свойствами. Практически для всех представителей группы РЗЭ степень окисления равна +3, однако активность элементов не одинаковы. Самым активным считается лантан. Данные элементы используются в совершенно различных отраслях. Например, их широко применяют в стекольной промышленности. Во-первых, они повышают светопрозрачность стекла, а во-вторых эти металлы используются для производства стекла специального назначения – стекла поглощающие ультрафиолетовые лучи или пропускание инфракрасных излучений. С помощью редкоземельных веществ производят жаростойкие стекла [1]. Самые высокие темпы роста РЗЭ прогнозируется для магнитов катализаторов и керамики со средними ежегодными темпами роста 6% за период. Легкие редкоземельные элементы (LREE) используются в производстве жидких катализаторов каталитического крекинга (FCC) автокатализаторов, которые вместе составляют около 16%мирового спроса. Люминофоры и пигменты составляют чуть более 6% от общего объема потребления редкоземельных элементов, но почти 15% по стоимости.

Люминофор является основным рынком для европия и иттербия, тяжелых редкоземельных элементов (HREE) с высокой стоимостью, а также церия [2].

Патентное исследование и анализ литературы показало, что в изобретении [3] разработана технологии извлечения редких и редкоземельных металлов из природного Техническим результатом данного изобретения является снижение расходов реагентов (кислот) на выщелачивание редкоземельных элементов из углей или золошлаковых отходов и упрощение процесса извлечения и очистки этих металлов при переработке растворов выщелачиванием.

В [4] предложен способ извлечения РЗЭ из фосфогипса, включающий обработку фосфогипса раствором серной кислоты, фильтрацию и выделение РЗЭ из отхода. Наряду с этим также предложен второй способ извлечения РЗЭ, включающий измельчение исходного материала и его обработку выщелачивающим раствором при нагревании, в котором выщелачивание проводят раствором активированной, путем электролиза воды с добавкой 50%-ной серной кислоты в количестве 3–10% в соотношении Т:Ж=1:1 и температуре 40– 80 ℃. Использование активированной, путем электролиза воды с добавлением 50%-ной серной кислоты в количестве 3–10%-ной, позволяет повысить степень перехода РЗЭ в раствор и получить РЗЭ высокого качества. Использование предлагаемого способа извлечения редкоземельных элементов из углей и золошлаковых отходов от их сжигания позволит значительно удешевить процесс и повысит содержание РЗЭ в растворе до 99,9 [5].

Способ извлечения РЗЭ из фосфогипса, включает карбонизацию с получением карбоната кальция, его прокладку с образованием оксида кальция, выщелачивание раствором хлорида аммония с получением концентрата редкоземельных элементов, который подвергают сухую классификации с выделением фракции с размером частиц [6].

В изобретение [7] разработана технология извлечения редкоземельных металлов, что может быть использовано при комплексной переработке хвостов обогащения свинцовоцинковых руд. Способ извлечения редкоземельных элементов из отходов обогащения свинцово-цинковых руд включает кислотное выщелачивание, выделение редкоземельных элементов из раствора с дальнейшим получением концентрата при этом выделение редкоземельных элементов проводят осаждением первоначально гидроксидом аммония концентрацией 15–25% с последующим растворением полученного осадка в слабо концентрированной азотной кислоте, затем переводят осаждение редкоземельных элементов щавелевой кислотой.

Из-за больших объемов складированных и вновь поступающих отходов (шламы, шлаки, порода, золы), обогатительные фабрики, использовавшие технологии выделения редких и драгоценных металлов параллельно с основным производством являлся рентабельным даже при низкой концентрации РЗЭ [8].

В статье В. Ю. Рогова дана оценка ресурсов глинозема и редкоземельных элементов, содержащихся в крупнотоннажных отходах переработки апатит-нефелиновых руд в золошлаковых отходах тепловых электростанций, отходах переработки бокситов [9]. Показана возможность импортозамещения и обеспечение дополнительной потребности в глиноземе для новых алюминиевых заводов за счет использования этих ресурсов. Сформулированы положения о формировании организационно–экономического механизма использования техногенных отходов [10].

В настоящей статье исследованы химический состав техногенных отходов (шлак отвальный и флотационный хвостовой отход) Кадамжайского сурьмяного комбината (КСК). Определены ценные редкоземельные химические элементы (иттербий, иттрий, лантан, скандий и др.) химическим, атомно-эмиссионным и рентгено-флуоресцентнымметодом [11].

В экспериментальной части предложены [5] способы извлечения редкоземельных элементов, включающий измельчение исходного материала и его обработку выщелачивающим раствором при нагревании, в котором выщелачивание проводятся раствором активированной, путем электролиза воды с добавкой 50%-ной серной кислоты в количестве 3-10% в соотношении Т:Ж=1:1 и температуре 40–80℃. Способы извлечения редкоземельных элементов из техногенных отходов КСК повысит содержание РЗЭ в растворе до 99,5%. Далее 2 мл полученного фильтрата помещают в колбе 50 мл, прибавляют 10 мл воды, 1 мл (1%-ной) аскорбиновой кислоты, (для маскировки ионов Fe+3, которое не реагирует с арсеназо (111), перемешивают и выдерживают 2 мин. Прибавляют 0,5 мл 1%-ной сульфаниловой кислоты, 3 капли 1%-ного раствора а-динитрофенол нейтрализуют, 25 гидрокисью аммония до желтой окраски, далее прибавляют по каплям HCl (3–4%-ную) до обесцвечивания раствора, прибавляют 5 мл буферного раствора (рН=2,2) и 2 мл (0,1%-ного) арсеназо (111) перемешивают. Раствор в колбе доводят водой до метки и перемешивают, через 30 мин. измеряют величину оптической плотности полученного раствора на КФК-3.01 в кювете толщиной 30 мм при длине волне 680 нм по отношению к раствору сравнения т.е. определение содержания РЗЭ проводят путем сравнения оптической плотности полученного раствора и холостого опыта. Далее по градуировочному графику определяют массу суммы РЗЭ в миллиграммах [12–14]. Стандартный раствор соли лантана растворяют в дистиллированной воде 2,05823 г лантан азотнокислый 6-водный (La2(NO3)3 × 6H2O) в 1000 мл мерной колбе.

Обработка экспериментальных данных проводились на основе следующей формулы:

А-а х100 Х=

V

;

где А — количество лантана в пробе, найденное по калибровочной кривой, мг; а — количество лантана найденное в холостой пробег, мг; V — объем раствора, взятой для анализа:

Х= (А-а) х1000 = (4,8-0)х 1000 = 96 V

На основе полученных данных сделаны следующие выводы:

• 1.    Извлечение    редкоземельных    элементов    проводились    на    основе

• 2.    Содержание РЗЭ в растворе определено фотометрическим методом с рН=2,2 среде с использованием арсеназо (111) при длине волне 680 нм по отношению к раствору сравнения. Суммарная масса извлеченного лантана составляла 96 мг/л.

элекроактивированной воды с добавлением 50%-ной серной кислоты в количестве 3–10% в соотношении Т:Ж=1:1 и температуре 40–80 °C.