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NdCl3-AlCl3-NH4HCO3体系稀土沉淀热力学分析

2021-10-14林春雷徐略渭何秉轩

湿法冶金 2021年5期
关键词:体系

王 强,林春雷,徐略渭,何秉轩,梁 勇

(1.赣州稀土龙南冶炼分离有限公司,江西 赣州 341000;2.江西理工大学 材料冶金化学学部,江西 赣州 341000)

稀土氧化物的生产通常采用酸溶—萃取—沉淀—煅烧工艺处理稀土精矿。沉淀过程中,通常选择碳酸氢铵或草酸作沉淀剂。其中,碳酸氢铵沉淀法成本低、操作简单[1-4];但以碳酸氢铵沉淀稀土时,常出现杂质铝共沉淀问题[5-8]。为了解碳酸氢铵沉淀稀土过程中杂质铝的行为,以钕为例,根据相关热力学数据,分析了NdCl3-AlCl3-NH4HCO3体系中碳酸氢铵沉淀稀土时各组分的行为,以期为稀土沉淀过程优化提供一定参考。

1 NdCl3-AlCl3-NH4HCO3体系中的平衡关系

根据热力学数据,NdCl3-AlCl3-NH4HCO3体系中可能存在的平衡关系及平衡常数(K)见表1。

表1 NdCl3-AlCl3-NH4HCO3体系中的平衡关系及平衡常数(K)

由表1看出:当总碳(C总)浓度为1.0 mol/L、总铝(Al总)浓度为7.5 mmol/L、总钕(Nd总)浓度为1.0 mol/L条件下,NdCl3-AlCl3-NH4HCO3体系中游离物质平衡关系满足以下系列方程。

(1)

(2)

(3)

c(Nd总)=c(Nd(OH)3(aq))+c(Nd(OH)2+)+c(Nd3+)=1.0 mol/L。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

7.5 mol/L。

(12)

由表1看出,不同pH条件下,沉淀情况不同:酸性条件下,首先生成Nd2(CO3)3沉淀;随pH增大,开始生成Al(OH)3沉淀,然后生成Nd(OH)3沉淀,最后发生Al(OH)3的溶解与Nd2(CO3)3的转变。

当有Nd2(CO3)3生成时,由表1式a可得:

(13)

当体系中Al(OH)3沉淀稳定存在时,根据表1式c可得:

[Al3+][OH-]3=10-32.89。

(14)

当体系中开始生成Nd(OH)3沉淀时,由表1式b可得:

[Nd3+][OH-]3=10-21.49。

(15)

所以,在pH<2.8条件下,体系内无沉淀生成;pH在2.8~3.7范围内,开始有Nd2(CO3)3沉淀生成;pH在3.7~7.0范围内,Al(OH)3与Nd2(CO3)3共沉淀;pH在7.0~11.7范围内,体系中同时存在Nd2(CO3)3、Al(OH)3、Nd(OH)3沉淀,但Al(OH)3开始逐渐溶解;pH继续提高至11.7~12.4范围内,Nd2(CO3)3与Nd(OH)3同时存在;pH高于12.4后,体系中仅有Nd(OH)3沉淀。根据这些数据,绘制出25 ℃条件下NdCl3-AlCl3-NH4HCO3体系溶解组分lgcB-pH曲线,如图1所示。

图1 20 ℃ 条件下,NdCl3-AlCl3-NH4HCO3体系各组分的lg cB-pH曲线

由图1看出,体系中C总浓度为1.0 mol/L时,随pH增大,体系共有6个沉淀阶段:线①为生成Nd2(CO3)3沉淀的界限,此处pH=2.8;线②为Al(OH)3开始沉淀的界限,此处pH=3.7;线③为生成Nd(OH)3沉淀的界限,此处pH=7.0;线④为Al(OH)3完全溶解的界限,此处pH=11.7;线⑤为Nd2(CO3)3完全转变的界限,此处pH=12.4。

pH在0~2.8之间,主要发生游离组分之间的转变,溶液中Nd3+和Al3+的浓度不随pH增大而发生变化,表明该pH范围内无沉淀产生。……

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