醋酸镧晶体的一步法可控制备工艺

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稀土醋酸盐是稀土离子与乙酸分子结合生成的一种重要羧酸类稀土化合物。水溶性好、晶体形貌完整、纯度高的稀土醋酸盐,涉及领域越来越广泛,作用越来越重要。以醋酸镧为代表的稀土醋酸盐,在医学上是重要的医药成分以及中间体,在石油行业是重要的催化剂,在高新材料领域是重要的添加剂,在农业上也是重要的药物和肥料的重要组成。它以毒害性小、易加热去除、水溶性高的特点,以及稀土元素的特殊理化性质,使得应用前景越来越好,但制备工艺在各方面都有待改善和提高。所以符合各种要求的稀土醋酸盐晶体的制备工艺显得尤为重要,实验室条件下可以采用多种方法制备出高品质的醋酸稀土化合物,但考虑到扩大生产后产品的产量和质量、工艺的可行性、稳定性、生产成本及技术经济效益等因素,大部分的制备方法都不具备实际生产的条件。结晶母液处理和利用制备醋酸镧工艺的重要环节,做好结晶母液的处理可以减少环境污染提高原料利用率。现有的制备工艺多采用多次结晶和草酸沉淀的方法处理母液,消耗大量的能源和沉淀剂,而且影响产品纯度。本研究以现有的二步法制备醋酸镧的工艺为基础,通过使碳酸镧溶解过程与醋酸镧结晶过程合并一步进行,直接转化为醋酸镧晶体。结晶母液返回至碳酸镧调浆过程,多次循环使用,提高原料利用率避免浪费,减少工业用水和工业废水。论文以热力学计算和动力学推导为研究起点,开展一步法制备醋酸镧的工艺研究。通过查阅物料的基础热力学数据,利用热力学基本原理公式,计算出不同温度下的焓变、熵变,分析反应过程的吸放热情况。分析碳酸镧与冰乙酸的反应原理,作出理论假设并查找与之匹配的动力学模型。进行不同温度下的动力学实验,数据通过模型方程线性拟合,呈现出良好的线性相关,说明碳酸镧与冰乙酸的反应过程符合我们假设的模型方程,通过作图法计算出了反应速率常数和表观活化能,最后我们得到了碳酸镧与冰乙酸反应制备醋酸镧的宏观动力学方程,确定反应过程主要为外扩散步骤控制。论文通过条件试验对制备工艺中的料液比、调浆比、反应时间、反应温度、搅拌速度等工艺条件进行研究。最佳工艺条件由单因素实验结果得出:料液比为1.1、调浆比为2、反应温度为75℃、反应时间为120 min、搅拌速度200 r/min。在此工艺条件下通过母液循环实验对母液循环次数进行研究,母液不经循环,醋酸镧收率为72.62%左右;随母液开始循环,醋酸镧收率达99.24%。表明母液循环利用是可行的,且母液可以循环9次以上,各次结晶产品的稀土总量及杂质含量稳定,在9次循环获得的产品非稀土杂质含量均符合醋酸镧的产品质量标准的要求。为了更好地优化一步法制备醋酸镧晶体的工艺,我们对不同温度下制备的醋酸镧晶体做扫描电镜图,分析温度对形貌的影响,发现醋酸晶体由方形片状叠加成方形棒状,且随着温度增加变长变粗。陈化过程是晶体长大的关键步骤,通过扫描电镜分析陈化的晶体形貌,发现陈化后醋酸镧晶体大小较均匀,体积更大,形貌更完整,缺陷更少,且陈化时间大于24小时较佳。通过对醋酸镧产品进行热重-差热检测,分析失重率,确定热分解机理和醋酸镧分子结构。对产品进行红外吸收光谱检测,分析图谱官能团振动频率,并与文献报道的红外光谱数据比对,从而确定产品结构。用X射线粉末衍射仪检测产品,分析测得的XRD图谱,通过与标准卡片比对,我们进而确定实验制备的醋酸镧晶体结构为La(CH3COO)3·H2O。本文提出了一步法直接制备醋酸镧晶体工艺,相比以往的制备方法步骤更加简化,条件更易控制,母液处理更加高效,制备成本更加经济,生产效率更高,工业用水量更小。所以此工艺方法实现了醋酸镧制备的低排放、低能耗、低成本、连续化和清洁化。此工艺研究立足于高效生产、绿色环保,工艺应用可行性强,可以为实际生产提供一定的理论指导,也为拓展到其他稀土元素醋酸盐制备提供一定理论帮助。
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