稀土复盐碱转过程中的离子迁移及反应机理研究

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本文以HCl-AlCl3络合解离液中加入Na2SO4得到的稀土复盐为研究对象,经化学分析、XRD和SEM-EDS检测,掌握了复盐中的化学组成、物相结构和形貌特征;绘制了碱液环境下复盐中主要组分在不同温度下的电位-pH图;分别研究了不同因素对复盐碱转过程的影响,探究了反应机理和离子迁移规律。分别研究了La-Ce-Pr-Nd-H2O系、Al-H2O系、Th-H2O系和CaS-H2O系电位-pH图中各个离子的优势稳定区域,通过对比不同pH值和电位,进而从热力学的角度探究了碱转过程是否可行以及各组分不同温度下的平衡关系、反应行为和存在的状态。结果表明:在电位大于-1.5V的情况下,溶液中的Ce3+均可被氧化成Ce4+,当反应温度小于100℃,RE(OH)3的优势区域不大;反应温度超过100℃时,RE(OH)3的优势区域比较大;不同温度下Al3+可分别以Al(OH)3和Al O2-,的形式稳定存在于溶液中;相同溶液中,电位不同时,Th可与Th4+和Th(OH)4直接发生转换反应;低温时Ca2++HSO4-和Ca(OH)2+SO42-的优势稳定区域较高温时小;CaSO4的优势稳定区域较高温时大,最终产物中的Ca以Ca(OH)2的形式稳定存在于溶液中,且当温度升高到一定程度时,可能会发生逆反应。稀土复盐碱转过程在常压条件下的最优碱转工艺为:NaOH与复盐的质量比为0.49:1;碱转温度60℃;转化时间75min;搅拌速度400 r/min,此时碱转化效率达到99.92%,Na+、Ca2+、SO42-杂质含量分别为0.99%、1.08%、5.54%。最优条件下,得到的碱转产物为非晶态。SEM-EDS分析表明:几乎所有的六棱柱复盐被破坏,形成了大小不一的颗粒状产物,主要元素为La、Ce、Pr、Nd、O、Ca和S。碱转过程动力学表明:反应在30min之前受界面和传质扩散控制,在30min之后受内扩散控制,反应的表观活化能为E1=33.76 k J/mol,E2=11.17 k J/mol。高压条件下最优碱转工艺为:压强0.3MPa(130℃);转化时间135min;NaOH与复盐质量比为0.63:1;搅拌速度400 r/min,此时碱转化效率达到99.1%,Na+、Ca2+、SO42-杂质含量分别为0.1%、0.24%、1.38%。最优条件下:形成的碱转产物杂峰少,晶化程度较高,出现了明显的氢氧化稀土峰。SEM-EDS分析表明:复盐被彻底分解,元素与常压得到的种类相同。高压条件下,碱转过程受内扩散控制,反应的表观活化能为E=11.52k J/mol。常压与高压条件下的碱转过程离子迁移规律表明:稀土基本进入到产物中,杂质基本进入到碱转液中,两种方法对比发现,高压条件下所得产物的杂质含量更低。
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