从攀西地区含钪钒钛磁铁矿尾矿中回收钪研究①

王浚杰，肖军辉，张烨毓，江 潞，唐 娟

（1.页岩气评价与开采四川省重点实验室，四川成都610073；2.四川省科源工程技术测试中心，四川成都610073；3.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳621010）

钪作为稀土家族中最分散的元素，被称为21世纪重要的“绿色能源科技金属”，是“关键性”或“战略性”矿产资源。近几年，随着战略性新兴产业的发展，钪被美国、欧盟、俄罗斯、中国等国家和地区列为影响国家战略安全和经济发展的重要战略金属之一。自然界中已知的含钪矿物种类有800余种，但钪的独立矿物仅有钪钇矿、水磷钪矿、铍硅钪矿等；绝大部分的钪以类质同象形式或以离子吸附形式赋存于钛铁矿、钛辉石、锆英石、铝土矿、稀土矿、锆铁矿、钨矿、铀矿、煤和锡矿等矿物中。目前钪主要来源于钨锡矿、钽铌矿、铀钍矿、白云母、铝土矿等生产过程中的副产品［1-5］。

攀西钒钛磁铁矿原矿经选铁、钛后，矿物粒级0.04～0.4 mm，其中部分铁、钛矿物被磁选、重选及电选除去。尾矿中存在的钪资源大部分赋存于辉石中，辉石属于难被分解的硅酸盐矿物，金属钪常以类质同象方式嵌布于辉石晶体中。从钒钛磁铁矿选钛尾矿中提取钪具有重要的经济效益和社会效益。

1 材料与方法

1.1 矿石性质

攀西钒钛磁铁矿尾矿中主要矿物成分为钛铁矿、磁铁矿、黄铁矿、钛普通辉石、斜长石、蛇纹石、绿泥石、云母、角闪石等，虽然该矿石为选矿厂磁选过的尾矿，但金属矿物之间并没有解离完全。研究表明金属钛主要的存在形式为钛铁矿，尾矿各个粒级中钛铁矿分布较为均为，没有明显的聚集现象，根据钛铁矿与脉石矿物的磁性差异，采用预先强磁选抛尾，可以初步分离出钛铁矿。而大部分金属钪以类质同象替换形式存在于辉石类、云母类、长石类等矿物中，这部分矿物残留在强磁选尾矿中，为提钪原矿（以下简称原矿）。

原矿化学成分分析以及X射线衍射分析结果分别见表1和图1。由表1和图1可知，原矿中Sc2O3含量44.0 g／t；原矿中主要矿物为长石类、辉石类、闪石类、云母类等铝硅酸盐矿物，而金属矿为极少量的钛铁矿与磁赤铁矿。

表1 原矿主要化学成分分析结果（质量分数）／%

图1 原矿X射线衍射图谱

1.2 试验方法

钒钛磁铁矿尾矿中的钪赋存于辉石类、长石类、闪石类等铝硅酸盐中。对硅酸盐含量高的矿物，提取钪的方法有酸浸法、碱分解浸出法、活化分解⁃浸出法等［6-10］。本文采用碳酸钠碱熔融焙烧⁃盐酸浸出工艺和氟化物溶解⁃盐酸浸出工艺处理该含钪尾矿，重点考查不同工艺条件对钪分离提取的影响规律，获取理想的钪分离提取工艺及工艺条件。

2 结果与讨论

2.1 碳酸钠碱熔融焙烧⁃浸出钪试验

2.1.1 焙烧温度

在焙烧时间90 min、碳酸钠用量30%、盐酸用量20%、浸出时间60 min、浸出液固比2∶1条件下，开展了焙烧温度对钪浸出率的影响试验，结果见图2。由图2可见，提高焙烧温度有利于提高钪浸出率，但焙烧温度超过900℃后，钪浸出率反而降低。且在试验过程中还发现，焙烧温度1 000℃时，焙烧物料黏结现象较严重。综合考虑，焙烧温度900℃较合理，此时钪浸出率为55.23%。

图2 焙烧温度对钪浸出率的影响

2.1.2 焙烧时间

焙烧温度900℃，其他条件不变，进行了焙烧时间对钪浸出率的影响试验，结果见图3。由图3可知，延长焙烧时间有利于提高钪浸出率，但焙烧时间超过120 min后，钪浸出率反而降低。这说明适当延长焙烧时间，有利于提高钪浸出率，但时间过长反而不利于钪浸出。焙烧时间120 min较合理，此时钪浸出率为58.66%。

图3 焙烧时间对钪浸出率的影响

2.1.3 碳酸钠用量

焙烧时间120 min，其他条件不变，进行了碳酸钠用量对钪浸出率的影响试验，结果见图4。由图4可知，提高碳酸钠用量，有利于提高钪浸出率，但当碳酸钠用量超过40%后，钪浸出率小幅降低。碳酸钠用量40%较合适，此时钪浸出率为60.05%。

图4 碳酸钠用量对钪浸出率的影响

2.1.4 综合条件试验

为进一步考查试验结果的可重复性，在焙烧温度900℃、焙烧时间120 min、碳酸钠用量40%、盐酸用量20%、浸出时间60 min、浸出液固比2∶1条件下，开展了碱熔融焙烧⁃盐酸浸出分离提钪工艺重复试验，结果见表2。焙烧矿和浸出渣形貌分析结果见图5。

表2 综合条件试验结果

图5 焙烧矿和盐酸浸出渣形貌

综合条件试验钪浸出率均在60%以上，可见该含钪尾矿中多数钪可以进入到浸出液中。焙烧矿颗粒表面较为平整光滑、颗粒分明，而浸出渣颗粒表面空隙众多，矿粒基本上被腐蚀溶解，但不难看出浸出渣中仍存在一些表面光滑的细颗粒，说明该工艺条件下并不能完全破坏其中的矿石结构。另外试验过程中发现过滤作业较为困难，这是因为浸出时产生了大量胶状硅酸钠，增加了浸出渣黏稠度，从而降低了钪的回收效果。

2.2 氟化物溶解⁃盐酸浸出工艺

2.2.1 助浸剂种类

添加氟化钙、氟化钠、氢氟酸作为浸出助浸剂，用量均为10%，盐酸用量20%、浸出时间60 min、浸出液固比2∶1条件下，助浸剂种类对钪浸出率的影响见表3。从表3可知，氟化钙和氢氟酸作助浸剂的效果明显优于氟化钠作助浸剂的浸出效果。氟化钙作为助浸剂的浸出率最高，其次为氢氟酸，说明氟化钙作助浸剂比较合理。

表3 助浸剂种类对钪浸出率的影响

2.2.2 氟化钙用量

以氟化钙为助浸剂，其他条件不变，开展了氟化钙用量对钪浸出的影响试验，结果见图6。由图6可知，氟化钙用量对钪浸出率影响较明显，适当提高氟化钙用量，有利于提高钪浸出率。综合考虑，氟化钙用量15%较合理。

图6 氟化钙用量对钪浸出率的影响

2.2.3 综合条件试验

为进一步验证试验结果的可重复性，在氟化钙用量15%、盐酸用量20%、浸出时间60 min、浸出液固比2∶1条件下进行了综合条件重复试验，结果见表4。同时对浸出渣进行了主要化学成分、X射线衍射及形貌分析，结果分别见表5和图7～8。

图7 氟化物溶解浸出渣X射线衍射分析结果

表4 综合条件重复试验结果

表5 浸出渣主要化学成分分析结果（质量分数）／%

采用氟化物溶解⁃浸出工艺，利用氟化物强化钪的溶出，可显著提高钪浸出率。氟化物溶解⁃浸出工艺省去了繁琐耗能的焙烧工序，原矿直接与氟化物结合进行浸出，钪浸出率71%以上，浸出渣中钪含量约13 g／t，试验重复性较好。

图8 原矿和氟化物溶解浸出渣形貌

3 结 论

1）含钪尾矿中有用金属矿物含量极少，大部分矿物为长石类、辉石类、闪石类、云母类脉石矿物，没有独立的钪矿物，钪以类质同象形式赋存于脉石矿物中，钪的分离提取难度较高。

2）采用碳酸钠碱熔融焙烧⁃浸出工艺，可以回收其中部分钪，但浸出产品固液分离较为困难，导致浸出渣难以清洗干净，钪浸出率较低。

3）采用氟化物溶解⁃浸出工艺，利用氟化物强化钪的溶出，可显著提高钪浸出率。与碱熔融焙烧⁃浸出工艺相比，省去了繁琐耗能的焙烧工序，含钪尾矿直接与氟化物结合进行浸出作业，钪浸出率在71%以上，浸出渣中钪含量13 g／t左右，试验重复性较好。