正交试验法优选碳酸氢钠制备碳酸镨钕的研究
2019-06-26高习贵孙明华孙明霞冯昌法孙久洲
高习贵,孙明华,孙明霞,冯昌法,孙久洲
(中稀天马新材料科技股份有限公司,山东 济宁 272620)
由萃取生产出的单一氯化稀土,所用的沉淀剂草酸占生产成本的40%左右,由于稀土分离生产厂家竞争越来越激烈,在现有的环境下,必须降低能耗和生产成本,保证产品质量。沉淀剂占比较大,采用碳酸氢铵和碳酸钠做沉淀剂,但碳酸氢铵沉淀会产生大量氨氮废水,严重影响水质;碳酸钠沉淀的反应周期长,容易生成复盐沉淀,生成的沉淀沉降性差,影响产品质量。本文采用碳酸氢钠做沉淀剂沉淀氯化稀土,控制反应条件,制得的镨钕产品质量合格,能应用于生产[1]。
1 试验部分
1.1 主要仪器与试剂
主要仪器有烧杯2 L、顶置式电动搅拌器-OES-20、SHZ-D(Ⅲ)循环水真空泵、马弗炉、原子吸收分光光度计(AAS)和722 型可见分光光度计。主要试剂有碳酸氢钠、氯化镨钕料液。试验原料是环烷酸萃取除铝后的氯化镨钕料液,其主要成分如表1所示。
表1 镨钕料液主要成分
1.2 分析方法
稀土浓度采用EDTA-2Na 络合滴定法测定;稀土总量用重量法测定;产品中钠含量测试采用GB/T12690.8-2003 的原子吸收法;氯根含量测试采用GB/T16484.15-1996 的分光光度法。
1.3 试验过程
移取一定量的环烷酸除铝后的镨钕料液制成晶种后,按碳酸氢钠与氯化稀土比例,移取好料液,配制碳酸氢钠溶液,以共沉淀的加料方式沉淀,控制反应条件,检测其沉淀上清中稀土含量:<0.05 g/L 后,陈化静置一定时间,吸上清液,水洗数次,抽滤,950℃灼烧。
1.4 试验正交表的选定
在碳酸镨钕的制备过程中,用碳酸氢钠制备碳酸镨钕产品质量的影响因素很多,故通过正交试验来选择反应的最优条件是十分必要和有效的。根据试验初步可得,碳酸镨钕的产品质量受碳酸氢钠与氯化稀土加入比例、反应温度、反应时间和碳酸氢钠配制浓度的影响。按照以上条件,进行了四因素三水平的正交试验表L9(34),如表2所示。
表2 正交影响因素与水平
表2中,A 为碳酸氢钠与氯化稀土加入比例,B为反应温度(℃),C 为反应时间(h),D 为碳酸氢钠反应浓度(mol/L)。
2 结果与讨论
2.1 正交试验样品结果分析
根据四因素三水平的正交试验,制备的试样有9个,在950℃灼烧转化的氧化镨钕,分别检测其总量、氯根、氧化钠等含量,计算沉淀的收率。试验结果如表3所示,极差分析如表4所示。
表3 正交试验结果
表4 收率极差分析
各因素引起的平均效果的极差(R)越大,表明该因素对考察指标的影响越大。由表4可以看出,极差大小顺序为:A >B >C >D。综合以上试验结果看,产品的收率受碳酸氢钠与氯化稀土加入比例的影响最大,其次是反应温度和反应时间,碳酸氢钠浓度的影响较小。
2.2 正交试验最优反应中试试验验证
向沉淀反应罐中加入纯水1.5 m3左右,加入氯化镨钕制成的晶种,用蒸汽加热到50℃后,停止加热[2]。用共沉的加料方式沉淀,镨钕料液的流量 25 L/min,碳酸氢钠溶液的浓度2.0 mol/L、流量25 L/min,沉淀反应期间,保持沉淀的反应温度50℃,按照流量计算控制碳酸氢钠与稀土的重量比2.65:1.00,停止碳酸氢钠溶液的加入,搅拌继续转行0.5 h,然后停止搅拌静置0.5 h,用虹吸的方法抽取上清液。再补加纯水4 ~5 m3于反应罐中,用蒸汽加热到50℃后,停止加热,开启搅拌继续转行10 min,然后停止搅拌静置0.5 h,用虹吸的方法抽取上清液。重复以上洗涤两次后,用离心机脱水后,沉淀结束。
在小节2.1 基础上,在最佳反应条件(碳酸氢钠与稀土的重量比1.60 ~1.65、反应温度50℃、反应时间3 h、碳酸氢钠的浓度2.0 mol/L)下进行试验,得到收率为99.89%、Cl-0.031%、NaO 0.024%、烧后REO 99.67%的氧化镨钕。
2.3 反应机理
碳酸氢钠为白色细小晶粒,受热易分解,配制的水溶液加热到50℃时,会有CO2产生,开始反应,部分可转变为碳酸钠。因此,其沉淀反应可写为:
碳酸镨钕在950℃下灼烧可分解为氧化镨钕产品,反应按式(2)进行:
碳酸氢钠沉淀稀土,沉淀的碳酸盐中Na2O、Cl-、烧后REO 等质量指标是合格的。但当碳酸氢钠加入过量,反应在50℃下进行时,碳酸氢钠会部分分解,生成碳酸钠,碳酸钠的碱性强于碳酸氢钠,沉淀反应快,易发生复盐沉淀[3-4]。其间可能发生以下反应:
从正交试验的结果来看,沉淀反应期间,反应浓度过高、温度过低等情况导致沉淀剂局部过量,可能会有复盐产生,生成的无晶型颗粒沉降性差,包裹钠、氯根等杂质,难以洗涤,影响最终的氧化镨钕烧后总量,使烧后REO <99%,产品中氧化钠、根氯等含量高于产品质量检验标准。人们可以通过正交试验找出有效沉淀条件,使复盐生成得到抑制,得到易沉降、易过滤的晶型沉淀。同时,由于碳酸氢钠在沉淀稀土的反应过程中有气体产生,沉降的颗粒松散,易洗涤。
3 结论
沉淀的反应温度50℃,碳酸氢钠配制的浓度为2mol/L,用共沉的加料方式沉淀,碳酸氢钠与稀土的重量比1.65:1.00,沉淀反应完全后,用纯水洗涤两次。用碳酸氢钠沉淀试验制备的氧化镨钕,其相关指标优于产品质量检验标准。