基于碱土金属碳化传递-皂化萃取分离稀土绿色体系构建及作用机制研究

The mixed rare earth sulfate solution is the main object of study focused on the problem experienced in the separation process of Baotou rare earth concentrate, such as the high consume of chemical material, low utilization and high salt wastewater discharges. The basic theory and the process which use saponification and extraction by magnesium bicarbonate to separation complex rare earth sulfate solution are came out. Through the study of Mg(HCO3)2-RE2(SO4)3-P204 system, the balanced distribution of extraction of calcium, magnesium and rare earth has been studied, and the problem of crystallization of calcium sulfates in the process has been solved with the control measures. It achieves primary rare earth’s grouping and separating, along with the transformation from the rare earth sulfate to the rare earth chloride with high concentration. The basic theory and system of the process using magnesium bicarbonate saponification and extraction for eparating rare earth chloride have been put forward systematically. Through the study of Mg(HCO3)2-RECl3-P507 system, it has been resolved the existence of three-phase material, high content of impurities, and long consume-time of reaction happened in the previous non-saponification process. Based on different properties of calcium and magnesium and solubility differences of carbonate, the Mg-bearing raffinate is the studying object and has been figured out the mass transfer and kinetics of gas-liquid-solid three phase reaction under the different system in carbonation process along with controlling Fe、Al、Si impurity ions movement to achieve the recycle of magnesium bicarbonate solution. This project will provide the advanced theoretical basis of low-carbon, low-salts, and ammonia-nitrogen-free rare earth separation process.

针对包头稀土矿冶炼过程中化工材料消耗高、资源利用率低、高盐度废水排放等问题，以处理包头矿得到的混合硫酸稀土溶液为研究对象。首次提出碳酸氢镁溶液皂化萃取分离复杂硫酸稀土的基础理论与工艺体系，通过Mg(HCO3)2-RE2(SO4)3-P204体系研究，探明钙、镁、稀土萃取平衡分布规律，解决硫酸钙结垢难题，实现硫酸稀土转型分组或分离为高浓度氯化稀土；系统提出碳酸氢镁溶液皂化萃取分离氯化稀土的基础理论与工艺体系，通过Mg(HCO3)2-RECl3-P507体系研究，解决早期开发的非皂化或钙皂化工艺中存在的三相物、杂质含量高、反应慢等问题。以萃余液含镁废水为研究对象，通过钙、镁离子碱度性质不同和碳酸盐溶解度差异的巧妙结合，探明不同体系下碳化过程中气-液-固多相反应的传质和动力学，并控制Fe、Al、Si等杂质离子的走向，实现碳酸氢镁溶液循环制备。项目将为低碳低盐无氨氮分离提纯稀土新技术提供理论依据。

包头混合型稀土矿是世界上储量最大的单体稀土矿床，其合理开发利用对全球稀土格局具有举足轻重的影响。我国自主开发的第三代硫酸法实现了包头稀土矿低成本、大规模、连续化生产，成为行业主流工艺并沿用至今。但包头稀土矿冶炼分离过程中仍存在化工材料消耗高、资源利用率低、高盐度废水排放等问题，亟需开发绿色清洁冶炼分离技术。基于此，本项目提出基于碱土金属碳化传递-皂化萃取分离稀土的绿色技术体系。. （1）系统研究了碳酸氢镁介稳溶液皂化萃取分离复杂硫酸稀土的基础理论和工艺体系。明晰了不同P204浓度和平衡酸度条件下稀土与钙、镁的分配比和分离系数关系，以及串级萃取过程中关键因素对稀土、钙、镁分布的影响，并重点探索了萃取转型过程中钙的富集规律和迁移机制，实现了基于碳酸氢镁皂化萃取的低浓度硫酸稀土溶液转型分组，稀土萃取回收率大于99.5%，混合氯化稀土溶液中REO含量达256g/L，解决了硫酸镁废水处理和硫酸钙结垢难题。. （2）系统研究了碳酸氢镁溶液皂化萃取分离氯化稀土的基础理论和工艺体系，构建了水-油-气新型碳酸氢镁皂化P507的反应模型，推导出皂化反应速率方程并探明反应机理；利用层流恒界面池法分别针对碳酸氢镁皂化反应和含镁负载有机相萃取稀土反应的动力学进行了研究，判断出两者均是发生在水-油两相界面处的扩散和化学反应共同控制的动力学控制模式；全面优化该体系工艺参数，稀土萃取回收率大于99.6%，从源头消除了氨氮废水污染，并大幅降低稀土生产成本。. （3）分别针对复杂硫酸体系、氯化体系下碳酸氢镁介稳溶液制备的基础理论和工艺体系进行了深入的研究，结合建立的多相反应传质模型和动力学分析确定了碳化反应历程，并在此基础上通过碳化过程关键因素的影响分析与条件控制，实现碳酸氢镁溶液的高效制备和纯化。. 上述研究成果为碳酸氢镁法分离提纯稀土的应用提供了理论依据和技术指导。目前已经发表学术论文10篇，申请发明专利10项，培养青年科研工作者4人，博士、硕士研究生3人。