黃福藝，鐘聲彪，劉書文

（清遠(yuǎn)市嘉禾稀有金屬有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511517）

0 引言

稀土是門捷列夫元素周期表第三副族中原子序數(shù)從57 至71 的15 個(gè)鑭系元素即鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、钷（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、镥（Lu）和另外兩個(gè)與其電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)相近的鈧（Sc）、釔（Y）共17 個(gè)元素的簡(jiǎn)稱。稀土具有特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，在現(xiàn)代新興綠色能源技術(shù)、高新技術(shù)和國(guó)防體系中，稀土材料發(fā)揮著不可或缺的關(guān)鍵作用，如應(yīng)用于電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、照明與顯示、計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器、移動(dòng)通訊、導(dǎo)彈制導(dǎo)、智能炸彈等方面，國(guó)際上稱這些技術(shù)為“稀土依賴性技術(shù)”。由于沒有其他材料可以替代，因此稀土材料成為實(shí)現(xiàn)技術(shù)、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)不可缺少的戰(zhàn)略物資[1-4]。

原有稀土濕法冶煉過程中，使用堿性物質(zhì)皂化有機(jī)相是必不可少的流程，前期采用氨水皂化，氨水皂化成本低，但皂化后產(chǎn)生的廢水中氨、氮含量高，不符合環(huán)保要求；后面改用液堿皂化，雖然廢水中氨、氮含量問題得以解決，但鹽分含量升高，且成本較高[5-6]。現(xiàn)為了兼顧環(huán)保與低成本改用石灰進(jìn)行處理，但在實(shí)際生產(chǎn)中，提前備好的石灰乳溶液容易沉降，達(dá)不到需要效果，影響生產(chǎn)效率。因此，開發(fā)一種難沉降的稀土濕法治煉用石灰乳溶液具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 石灰乳防沉降工藝

1.1 防沉降處理裝置

在對(duì)稀土濕法治煉用石灰乳進(jìn)行防沉降處理時(shí)需要使用到防沉降處理裝置，這種裝置包括第一攪拌槽、第二攪拌槽、第三攪拌槽、過濾結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)液箱、排液管、流量閥、電磁閥等主要結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。第一攪拌槽的底部設(shè)有過濾結(jié)構(gòu)，可去除石灰乳溶液中的大顆粒不溶物；儲(chǔ)液箱、排液管、流量閥、電磁閥的設(shè)計(jì)，可方便控制氯化鑭溶液的添加，實(shí)現(xiàn)邊攪動(dòng)邊添加的工藝，使氯化鑭溶液與石灰乳溶液充分接觸混合；第二攪拌槽的下料口底部安裝有下料結(jié)構(gòu)，下料結(jié)構(gòu)可用以單獨(dú)排出收集沉淀物，也可引導(dǎo)石灰乳溶液往第三攪拌槽方向輸送，既可排出及轉(zhuǎn)移第二攪拌槽底部的沉淀物，也可使石灰乳溶液順利流至第三攪拌槽，實(shí)現(xiàn)整體的自動(dòng)化操作及工藝的連貫性；整體工藝及裝置的設(shè)計(jì)與配合，可有效防止石灰乳溶液出現(xiàn)沉降，通過處理裝置進(jìn)行匹配工藝流程，可有效提高工作效率及防沉降效果。

圖1 防沉降處理裝置

1.2 石灰乳防沉降處理工藝步驟

對(duì)稀土濕法治煉用石灰乳進(jìn)行防沉降處理工藝包括以下步驟：

1）調(diào)漿。往第一攪拌槽內(nèi)的石灰中注入清水，并進(jìn)行攪拌，制成石灰乳溶液；石灰中氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為89%～95%；將石灰乳溶液濃度控制在1.0～4.0 mol/L；保證石灰乳溶液中的堿性物質(zhì)含量，以便后續(xù)進(jìn)行堿性皂化。

2）使用過濾結(jié)構(gòu)對(duì)石灰乳溶液進(jìn)行過濾，去除大顆粒不溶物，濾出液轉(zhuǎn)移至第二攪拌槽內(nèi)。

3）將石灰乳溶液于第二攪拌槽內(nèi)沉降，沉降時(shí)間為2～5 min，使其初始的沉降物得以沉降分離。

4）去除第二攪拌槽底部的沉降物。

5）第二攪拌槽啟動(dòng)，并同步往第二攪拌槽內(nèi)添加氯化鑭溶液；第二攪拌槽的攪拌時(shí)長(zhǎng)為5～10 min，在攪拌的過程中添加氯化鑭溶液；氯化鑭溶液與石灰乳溶液體積比為1∶80～1∶120，可通過邊攪拌邊加料的方式添加氯化鑭溶液，使得氯化鑭溶液與石灰乳溶液充分混合。

6）將混合完成后的石灰乳溶液轉(zhuǎn)移至第三攪拌槽內(nèi)存儲(chǔ)，并設(shè)定時(shí)間進(jìn)行間歇攪動(dòng)，得到合格的石灰乳溶液。

防沉降處理工藝流程如圖2 所示。

圖2 石灰乳防沉降處理工藝流程圖

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 自由沉降試驗(yàn)

本研究采用100 mL 量筒進(jìn)行自由沉降試驗(yàn)，為考察添加不同濃度的氯化鑭溶液對(duì)石灰乳沉降效果的影響，將氯化鑭溶液的濃度設(shè)定為0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L。測(cè)試方法：用攪拌器將量筒中溶液上下攪拌50 下，使石灰乳溶液分布均勻，用蒸餾水將攪拌器上殘留溶液清洗到量筒中，并用膠頭滴管滴定至100 mL。隨后依據(jù)試驗(yàn)設(shè)定時(shí)間間隔記錄2 h 內(nèi)上層清液與沉淀物分界面（即“泥線”）位置變化，往后每天記錄一次泥線位置變化，直至30 d，以確保其沉降穩(wěn)定。繪制泥線-沉降時(shí)間曲線，每個(gè)濃度為一組，每組2 個(gè)平行試驗(yàn)[7]。

1.3.2 Zeta 電位

Zeta 電位（Zetapotential），又叫電動(dòng)電位或電動(dòng)電勢(shì)，是指剪切面的電位。其是表征膠體分散系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。Zeta 電位的主要用途之一就是研究膠體與電解質(zhì)的相互作用。根據(jù)DLVO 理論，Zeta 電位越高，顆粒之間的排斥力越強(qiáng)，則分散在液體之中的顆粒的穩(wěn)定性越好，越不容易聚集[8-9]。

本試驗(yàn)采用DT-310 微型電泳儀對(duì)石灰乳溶液進(jìn)行Zeta 電位測(cè)試，以此考察添加不同濃度的氯化鑭溶液后石灰乳溶液的Zeta 電位。測(cè)試方法：使用電動(dòng)攪拌器高速攪拌溶液15 min，靜置24 h 后，再高速攪拌5 min，用同濃度鹽溶液稀釋至氯化鑭質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，取適量溶液進(jìn)行Zeta 電位測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 自由沉降試驗(yàn)

圖3 給出了在不同濃度氯化鑭溶液中石灰乳溶液泥線位置隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖3 可知，在石灰乳溶液中加入氯化鑭溶液能明顯改善石灰乳溶液的沉降速率；不加入氯化鑭溶液時(shí)，石灰乳溶液在30 min時(shí)泥線位置下降約70%；而加入1.0 mol/L 的氯化鑭溶液后，石灰乳溶液在30 min 時(shí)泥線位置下降僅22%。隨著試驗(yàn)時(shí)間的推移，石灰乳顆粒沉降速率增加，為更好地表征石灰乳溶液沉降規(guī)律，絮凝速率為絮凝階段的切線斜率，絮凝時(shí)間為絮凝階段與阻礙沉降階段曲線切線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間[10]。

圖3 不同濃度氯化鑭溶液濃度對(duì)沉降的影響關(guān)系圖

絮凝時(shí)間與氯化鑭濃度的關(guān)系如圖4 所示。由圖4 可知，隨著氯化鑭濃度的增加，石灰乳溶液絮凝速率不斷減小，絮凝時(shí)間也隨濃度的增加而增大，說明石灰乳溶液沉降的性能得到明顯的改善。

圖4 絮凝時(shí)間與氯化鑭溶液濃度關(guān)系

2.2 Zeta 電位試驗(yàn)

石灰乳顆粒/絮體表面電荷越大，顆粒/絮體間由于電荷的排斥力，污泥越穩(wěn)定地懸浮于溶液中，即沉降性能越差。反之，石灰乳顆粒/絮體表面電荷越小，表明石灰乳顆粒/絮體脫穩(wěn)聚結(jié)成團(tuán)，沉降性能越好[11]。Zeta 電位值反映了石灰乳顆粒/絮體表面電荷量，因此可用于評(píng)價(jià)石灰乳的沉降性能。圖5 為石灰乳在不同濃度氯化鑭溶液中的Zeta 電位試驗(yàn)結(jié)果。從圖5 可知，石灰乳在蒸餾水中電位值為-28.36 mV，隨氯化鑭溶液濃度的增加，Zeta 電位絕對(duì)值不斷增大。當(dāng)濃度為1.0 mol/L 時(shí)，電位為-40.18 mV。說明加入氯化鑭溶液后，體系變得更穩(wěn)定，沉降性能得到改善，和自由沉降試驗(yàn)的結(jié)論一致。

圖5 Zeta 電位與氯化鑭溶液濃度關(guān)系

3 結(jié)論

1）在石灰乳溶液中加入氯化鑭溶液能明顯改善石灰乳溶液的沉降速率。隨著氯化鑭濃度的增加，石灰乳溶液絮凝速率不斷減小，絮凝時(shí)間也隨氯化鑭濃度的增加而增大，石灰乳溶液沉降的性能得到明顯的改善。

2）加入氯化鑭溶液后，體系變得更穩(wěn)定，隨氯化鑭溶液濃度的增加，Zeta 電位絕對(duì)值不斷增大，石灰乳溶液沉降性能得到改善。