氨水为沉淀剂从水晶石废料中提纯二氧化铈的实验研究

韩剑宏，刘 派，徐海生，郭 婷

（1.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头014010；2.华南理工大学轻工与食品学院）

氨水为沉淀剂从水晶石废料中提纯二氧化铈的实验研究

韩剑宏1，刘 派2，徐海生1，郭 婷1

（1.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头014010；2.华南理工大学轻工与食品学院）

以工业固体废弃物水晶石为原料，采取一定方法将二氧化硅与二氧化铈分离后进行二氧化铈的提取，有效解决废弃物堆放并实现其资源化。以氨水为沉淀剂，将分离后的二氧化铈进行提纯，研究了氨水浓度、静置时间、pH、焙烧温度和时间对二氧化铈纯度和质量的影响。实验结果表明：在氨水浓度为6 mol/L、pH=8、静置30 min、焙烧温度为450℃、焙烧时间为2 h条件下，得到二氧化铈的含量接近原料的实际值。

水晶石废料；氨水；二氧化铈；提纯

CeO2是一种廉价而用途极广的材料，广泛应用于发光材料、催化剂、电子陶瓷、紫外吸收材料等［1-5］。中国拥有巨大的CeO2出口市场，但质量和精度不高，因此价格低廉。从稀土矿中提取高纯度二氧化铈有不同的方法［6-8］，其特点不同，但提取物中所含Ce4+相对较高，提纯工艺及参数较简单。水晶石废料中的CeO2质量分数为6.57%，如果扔掉则造成很大的浪费，采取常规的技术路线提取又因含量偏低不一定适宜，提纯工艺需要借鉴已有方法进行不同形式的组合与优化［9-12］，筛选适宜的工艺以得到纯度高的目的物。因此，其技术路线的分析与实现不仅实现了循环经济的理念，而且提取的产品回用于企业，为清洁生产与可持续发展提供了基础条件。

1 实验

1.1 实验原料

水晶石废料的化学组成见表1。

表1 实验原料化学成分

1.2 实验原理

将二氧化硅与二氧化铈分离［13］，二氧化铈以Ce3+存在于溶液中。在含有三价硫酸铈的溶液中，以一定流速分别加入一定浓度的氨水和草酸，前者逐渐出现红棕色絮状沉淀，直至pH为8～9时，静置，过滤，滤渣烘干，在一定温度下焙烧滤渣即可得到高纯度二氧化铈。采用络合滴定容量法直接测定提纯物中二氧化铈的含量。

1.3 实验过程

以10.000 g实验原料为基准，将采用优化参数［13］得到的三价铈盐的滤液定容至100 mL，分别往其中滴入不同浓度的氨水，直至pH=8，出现棕红色沉淀，过滤，滤渣烘干，在400℃焙烧2 h，得到二氧化铈，测量其含量，以接近原料中的含量为准，确定提纯二氧化铈的工艺参数。

2 结果与讨论

2.1 沉淀剂浓度的影响

沉淀剂浓度对二氧化铈质量和纯度的影响如图1所示。

图1 氨水浓度对二氧化铈质量及纯度的影响

溶液浓度对晶粒生成及其长大的速度有一定影响，特别是对生成速度的影响更为明显，随着氨水浓度的提高，有利于加快沉淀速度，生成的晶粒多且小，晶粒产生速度达到最大值。继续增大浓度，不断生成Ce（OH）4和Ce（OH）4-xOOHx沉淀。在实验过程中存在羟基，氢氧化铈在沉淀过程中会与大量羟基发生“胶联”作用，产生具有多孔结构的凝胶，凝胶中存在的大量分散介质则会“跑”到孔洞，最终形成硬团聚。同时氨水的络合能力强，与Ce3+形成强的络合体，沉淀过饱和度下降，同时也引起溶液中分子动能增加，不容易生成稳定的晶粒，沉淀有所溶解。如能创造适宜的环境条件，维持适当的饱和度，则可为晶粒成长提供物质基础，得到较多的沉淀物。综合以上因素，确定选择氨水的浓度为6 mol/L，此时二氧化铈的质量和纯度都较高。

2.2 静置时间的影响

图2是静置时间对二氧化铈质量和纯度的影响。由图2可见，随着时间的延长，沉淀产物的质量与纯度都逐渐增加，但在30min后基本上稳定，所以选择静置时间为30 min。

图2 静置时间对二氧化铈质量及纯度的影响

2.3 pH的影响

pH对二氧化铈质量和纯度的影响如图3所示。pH是影响和控制纯度的指标，随着氨水浓度的增加，系统的pH增大，过饱和状态的Ce4+与羟基反应，形成Ce（OH）4-xOOHx、Ce（OH）4前驱体沉淀，二氧化铈的质量与纯度都增加。该沉淀反应所需pH为8左右。

图3 pH对二氧化铈质量及纯度的影响

2.4 焙烧温度的影响

焙烧温度对二氧化铈质量和纯度的影响见图4。焙烧温度增加，二氧化铈的质量逐渐下降，而纯度先增加后出现下降的趋势，其耐高温性及稳定性呈现出来。温度升高，一定时间下所含有的杂质都被除去，质量呈下降趋势；但对于纯度而言，随温度的升高小粒子有可能重新溶解于沉淀夹带的母液中，而在低温下（＜450℃），CeO2可形成一系列组成各异的化合物CeO2-x，亚稳态氧化物不影响萤石型晶体结构，使CeO2的纯度有所下降。

图4 焙烧温度对二氧化铈质量及纯度的影响

2.5 焙烧时间的影响

焙烧时间对二氧化铈质量和纯度的影响如图5所示。在一定温度下，时间对二氧化铈的影响与焙烧温度对二氧化铈的影响是基本相似的。在一定温度下，时间的延长会使杂质被去除，造成质量下降，纯度增加；但水晶废料中所含的二氧化铈很有限，焙烧时间达到2 h后再延长时间也无助于提高纯度，因此控制时间为2 h。

图5 焙烧时间对二氧化铈质量及纯度的影响

3 结论

以氨水为沉淀剂从水晶石废料中提纯二氧化铈，确定最优参数组合为：氨水浓度为6 mol/L、pH= 8、静置30 min、焙烧温度为450℃、焙烧时间为2 h，在此条件下得到二氧化铈的含量接近原料的实际值。

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联系方式：hjhlpm@163.com

Experimental research for purification of cerium dioxide from rock crystal waste with ammonia as precipitator

Han Jianhong1，Liu Pai2，Xu Haisheng1，Guo Ting1
（1.School of Energy and Environment，Inner Mongolia University of Science&Technology，Baotou 014010，China；2.School of Light Industry and Food Science，South China University of Technology）

Using industrial solid waste rock crystal as raw material，cerium dioxide was extracted through the separation from silica with a certain method.In this way，the problem of waste dump could be effectively solved and rock crystal could be changed into resource.After separation，cerium dioxide was purified with ammonia as precipitator.Influences of concentration of ammonia，setting time，pH，calcining temperature，and calcining time on purity and quality of cerium dioxide were investigated.Results indicated when the ammonia concentration was 6 mol/L，pH=8，setting time was 30 min，calcining temperature was 450℃，and calcining time was 2 h，the content of the obtained cerium dioxide was near to actual value of the raw material.

rock crystal waste；ammonia；cerium dioxide；purification

TQ133.3

：A

：1006-4990（2012）07-0044-03

2012-01-10

韩剑宏（1966—），女，博士后，教授，从事废物资源化技术的研究，已发表论文40余篇，出版著作7本。