申星梅，李遼沙，武杏榮，王平，王蓮貞

（安徽工業(yè)大學(xué)教育部冶金減排與資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243002）

引 言

多，且每年的淘汰量都在500 萬臺(tái)以上[1]。這些廢棄CRT 顯示器上涂有含稀土的熒光粉，如每個(gè)CRT

隨著科技的不斷進(jìn)步，新的顯示技術(shù)不斷出現(xiàn)，導(dǎo)致越來越多的陰極射線管（CRT）顯示器被淘汰。據(jù)報(bào)道，我國擁有的CRT 顯示器達(dá)十億臺(tái)之含稀土紅粉（Y2O3:Eu3+）約10～12 g，而Y2O3和Eu2O3的售價(jià)分別為650 和5000 CNY·kg-1；如不妥善處置，將造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，熒光粉中的稀土金屬和重金屬通常具有急性或慢性毒性，進(jìn)入土壤或水體中會(huì)對(duì)動(dòng)植物造成極大危害。然而，目前關(guān)于廢棄CRT 熒光粉回收處置的技術(shù)還存在很多問題，導(dǎo)致絕大多數(shù)廢棄熒光粉只是被焚燒或填埋，沒有被有效利用[2-3]。廢棄CRT 熒光粉的資源化、無害化利用已成為亟待解決的課題。

目前，國內(nèi)外已有大量關(guān)于從廢棄燈用三基色熒光粉中回收稀土的報(bào)道。Hirajima 等用油酸鈉預(yù)處理廢棄熒光粉后，采用二碘甲烷作為離心介質(zhì)，分離回收含稀土的三基色熒光粉，回收率達(dá)97.34%[4]；他們還研究了陽離子浮選劑、陰離子浮選劑和分散劑在不同pH 范圍內(nèi)對(duì)熒光粉的浮選效果[5]。Michelis 等[6-7]采用濕法酸浸的方式回收稀土；Liu 等[8]則采用兩次酸浸的方法，并與傳統(tǒng)一次酸浸的方法作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩次酸浸法的稀土回收率可達(dá)94.6%，而傳統(tǒng)方法只有42.08%。Yang 等[9]采用一種新型的萃取劑——氮氮二辛基二甘醇酰胺（DODGAA），以離子液體[C4mim][Tf2N]作為萃取介質(zhì)萃取稀土金屬。鄧庚鳳等[10]采用鹽酸浸出稀土，分析了浸出過程動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)稀土浸出過程受擴(kuò)散控制，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程遵循未反應(yīng)核收縮模型。涂雅潔等[11]采用溶劑錯(cuò)流萃取分離的方法回收Y 和Eu，回收總量達(dá)99.78%，并實(shí)現(xiàn)了Y、Eu 分離。燈用三基色熒光粉與CRT 顯示器用熒光粉的組成、結(jié)構(gòu)、稀土元素的賦存狀態(tài)及形式等都不相同。然而，從廢棄CRT 顯示器用熒光粉中提取稀土的研究，只有個(gè)別零星、分散的報(bào)道[12-14]。因此，開展廢棄CRT 熒光粉中稀土提取的研究十分必要。

本課題組[15]針對(duì)廢棄CRT 熒光粉中稀土的提取展開了前期研究，發(fā)現(xiàn)采用稀鹽酸預(yù)處理工藝可以明顯提高稀土提取的效率，而且能夠減少用酸量。本文在前期稀酸預(yù)處理工作的基礎(chǔ)上，通過更進(jìn)一步的深入研究，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)pH 并加入沉淀劑的方法可以得到純度較高的稀土氧化物，從而開發(fā)出從廢棄CRT 熒光粉中提取稀土的完整工藝路線，實(shí)現(xiàn)稀土資源的可持續(xù)利用。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

本實(shí)驗(yàn)所用原材料來自于稀鹽酸預(yù)處理后的廢棄CRT 熒光粉，預(yù)處理步驟詳見參考文獻(xiàn)[15]。鹽酸、氨水、乙酸-乙酸鈉、二乙基二硫代氨基甲酸鈉（DDTC）、草酸，均為分析純。

1.2 儀器

精密pH 計(jì)，pHS-2CW 型，上海般特儀器有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋，HH-S2 型，金壇市文華儀器有限公司；高溫箱式爐，KSL-1400，合肥科晶材料有限公司；X 射線熒光光譜儀，ARL Advant’ X Intellipower 3600，賽默飛世爾科技有限公司；X 射線衍射儀，D8 Advance，德國Bruker 公司；激光粒度儀，Rise-2006，濟(jì)南潤之科技有限公司；掃描電子顯微鏡，S-3400N Ⅱ，日本Hitachi 公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

（1）將預(yù)處理后的熒光粉放入燒杯中，加入一定濃度（1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 mol·L-1）的鹽酸，在一定溫度（50、60、70、80、90℃）下攪拌反應(yīng)5 h，過濾后得到稀土浸出液。

（2）移取6 份15 ml 的稀土浸出液，分別用氨水及乙酸-乙酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)至一定pH，并用蒸餾水稀釋至50 ml。稱取一定用量比（DDTC 與熒光粉的質(zhì)量比分別為2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1）的DDTC，配制成50 ml 的DDTC 水溶液，在攪拌的條件下將其緩慢加入到稀釋的稀土浸出液中，靜置2 h 后，過濾分離得到稀土凈化液。

（3）將稀土凈化液置于80℃的恒溫水浴中，在攪拌的條件下加入過量的草酸溶液（50 g·L-1），反應(yīng)完畢后調(diào)節(jié)體系pH 為1.5～2.0，室溫下陳化2 h 后過濾，得到稀土草酸沉淀。

（4）將稀土草酸沉淀烘干研磨后，放入氧化鋁坩堝中，在一定溫度（600、750、900、1050℃）下煅燒2 h，隨爐降溫，所得產(chǎn)物即為稀土氧化物。

廢棄CRT 熒光粉中提取稀土的完整工藝路線如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理后熒光粉的化學(xué)組成分析

表1所示為廢棄CRT 熒光粉的化學(xué)成分。將該廢棄CRT 熒光粉用稀鹽酸預(yù)處理后烘干，用X射線熒光光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果以氧化物形式列出，如表2所示。對(duì)比稀酸預(yù)處理前后熒光粉的化學(xué)成分可以看出，預(yù)處理后熒光粉中的稀土含量明顯提高，而鋅、鋁等雜質(zhì)的含量大大降低?？梢?，通過稀酸預(yù)處理可以使熒光粉中的稀土組分富集，得到稀土純度相對(duì)較高的樣品，有利于后續(xù)工藝的進(jìn)行；同時(shí)，雜質(zhì)含量的降低，可以減少酸解工藝中酸的消耗量，降低后續(xù)除雜的難度。

圖1 廢棄CRT 熒光粉中稀土提取的技術(shù)路線Fig.1 Recovery process of rare earth from waste CRT phosphor

表1 廢棄CRT 熒光粉的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of waste CRT phosphor

表2 稀酸預(yù)處理后廢棄CRT 熒光粉的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of waste CRT phosphor after dilute acid pretreatment

2.2 酸浸工藝對(duì)稀土浸出率的影響

圖2是酸浸工藝對(duì)稀土浸出率的影響曲線，其中(a)是稀土浸出率隨鹽酸濃度的變化曲線，(b)是稀土浸出率隨反應(yīng)溫度的變化曲線。從圖2(a)中可以看出，稀土浸出率隨鹽酸濃度的增大而呈升高趨勢(shì)。鹽酸濃度為1～5 mol·L-1時(shí)，稀土浸出率的升高趨勢(shì)較為顯著，從33.34%升高至94.26%；鹽酸濃度繼續(xù)增加至6 mol·L-1時(shí)，稀土浸出率為95%，升高趨勢(shì)較為平緩。這是由于，當(dāng)鹽酸濃度較小時(shí)，隨著酸濃度的增加，溶液中參加反應(yīng)的鹽酸濃度梯度增大，為稀土的浸出反應(yīng)提供了較大的動(dòng)力，促進(jìn)了稀土的浸出。當(dāng)鹽酸濃度大于5 mol·L-1后，浸出反應(yīng)趨于平衡，因此稀土浸出率曲線較為平緩；而且，此時(shí)等體積溶液中的離子濃度較高，溶液黏度變大，導(dǎo)致溶出的稀土離子向外擴(kuò)散的阻力變大，從而限制了稀土的浸出，這是浸出率增長(zhǎng)緩慢的另一主要原因[16]。由于鹽酸濃度大于5 mol·L-1后，稀土浸出率變化不大，綜合考慮能耗和經(jīng)濟(jì)因素，選擇最佳鹽酸濃度為5 mol·L-1。

由圖2（b）可以看出，稀土浸出率隨反應(yīng)溫度的升高而明顯增大。然而，當(dāng)反應(yīng)溫度大于80℃后，稀土浸出率則基本沒有變化。反應(yīng)溫度升高，可以給酸解反應(yīng)提供動(dòng)力，加快反應(yīng)速度[17]，有利于浸出過程的傳熱與傳質(zhì)[18]；然而溫度過高，可能會(huì)導(dǎo)致鹽酸的加速揮發(fā)，使得溶液中的有效鹽酸濃度降低，不利于稀土的浸出。因此，選擇最佳反應(yīng)溫度為80℃。

2.3 稀土浸出液的凈化除雜

圖2 酸浸工藝對(duì)稀土浸出率的影響曲線Fig.2 Influence of acid leaching process on leaching rate of rare earth

2.3.1 除雜機(jī)理分析 由表1的化學(xué)成分可知，預(yù)處理后熒光粉中的雜質(zhì)主要為鋅、鋁、鉛、鈣和鎂等。這些雜質(zhì)組分在酸浸工藝中均會(huì)同稀土組分一 起進(jìn)入浸出液中，在后續(xù)沉淀工藝中不僅會(huì)消耗沉淀劑，還會(huì)以共沉淀的方式隨稀土一起沉淀，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，有必要對(duì)稀土浸出液進(jìn)行凈化除雜。由于浸出液中所含稀土離子和雜質(zhì)金屬離子的鹽類均易水解，通過對(duì)這幾種離子的水解反應(yīng)進(jìn)行分析，尋找稀土離子與雜質(zhì)離子分離的理論依據(jù)，分析如下。

已知以下7 種沉淀的溶度積[19-20]分別為

由式(1)～式(7)得

根據(jù)式(8)～式(14)作圖，結(jié)果如圖3所示。

圖3 lg[Mn+]-pH 曲線Fig.3 Curves of lg[Mn+]-pH

本實(shí)驗(yàn)中，稀土浸出液中所含成分濃度的對(duì)數(shù)值范圍約為[－1.46～0.06]。從圖3可以看出，在pH<4 的酸性介質(zhì)中，浸出液中的各種組分均以離子狀態(tài)存在；當(dāng)pH>4 時(shí)，體系中的Al3+首先生成Al(OH)3沉淀；隨著pH 的逐漸增大，各種離子按照?qǐng)D中從左到右的順序逐漸轉(zhuǎn)化為沉淀。因此，可通過控制合適的pH 進(jìn)行除雜。然而，從圖中可以看出，Zn2+、Pb2+與稀土Y3+、Eu3+有著相近的沉淀pH，僅通過控制pH 無法將其完全除去，需要加入合適的沉淀劑。銅試劑（二乙基二硫代氨基甲酸鈉，DDTC）中的二硫代氨基甲酸基團(tuán)（DTC）含有S、N 等配位原子，可以和Zn2+、Pb2+形成穩(wěn)定常數(shù)很高的螯合物，且其發(fā)生螯合反應(yīng)時(shí)可適應(yīng)的pH 范圍較廣[21-25]，因此，可選用DDTC 作為沉淀劑去除浸出液中的Zn2+和Pb2+。DDTC 中的DTC 基團(tuán)以陰離子形式存在，pH 越大越有利于其對(duì)金屬離子的捕集，而稀土離子在水溶液中水解的pH 約為6.0～7.5，因此，選擇控制體系的pH 為5.5。

當(dāng)調(diào)節(jié)體系pH 為5.5 時(shí)，浸出液中的Al3+轉(zhuǎn)化為A1(OH)3沉淀；向體系中加入DDTC 后，Zn2+、Pb2+與DDTC 發(fā)生螯合反應(yīng)生成沉淀。經(jīng)過濾分離后，溶液中只剩下稀土Y3+、Eu3+以及Ca2+、Mg2+，而Ca2+、Mg2+可以在后續(xù)的草酸沉淀稀土工藝中得以分離。

2.3.2 DDTC 用量的影響 圖4是雜質(zhì)沉淀量隨DDTC 用量比（DDTC 與熒光粉的質(zhì)量比）的變化曲線?？梢钥闯?，隨著DDTC 用量的增大，其與Zn2+、Pb2+生成螯合物沉淀的質(zhì)量迅速增加；當(dāng)DDTC 用量比達(dá)到6:1 時(shí)，雜質(zhì)沉淀量達(dá)到最大，此時(shí)溶液中的Zn2+、Pb2+已基本生成沉淀；繼續(xù)增加DDTC 用量，雜質(zhì)沉淀量已無明顯變化，且過量的DDTC 不僅造成不必要的浪費(fèi)，而且會(huì)對(duì)后續(xù)工藝產(chǎn)生影響。因此，DDTC 的最佳用量比為6:1。

圖4 雜質(zhì)沉淀量隨DDTC 用量比的變化曲線Fig.4 Variation curve for precipitation capacity of impurities with ratio of DDTC and phosphors dosage

2.4 稀土凈化液的沉淀與煅燒

從2.3 節(jié)中可知，稀土浸出液經(jīng)過凈化除雜后，得到了稀土含量較高的凈化液。采用草酸沉淀凈化液中的稀土離子，可得到大顆粒的晶形沉淀，具有良好的沉降性能，且通過攪拌和陳化能釋放出被包裹和吸附的雜質(zhì)離子。表3所示是一些草酸鹽的溶度積常數(shù)。從表中可以看出，Ca2+、Mg2+、Zn2+、Pb2+的草酸鹽溶度積常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于稀土離子的溶度積常數(shù)。由于Zn2+、Pb2+在草酸沉淀之前就已除去，而Ca2+、Mg2+經(jīng)草酸沉淀后得以與稀土分離。實(shí)驗(yàn)過程中，加入DDTC 會(huì)引入部分Na+，其與草酸根及稀土離子反應(yīng)會(huì)生成難溶的復(fù)鹽結(jié)晶與稀土草酸鹽一起沉淀下來。此時(shí)，可通過將煅燒后產(chǎn)物水洗的方法去除雜質(zhì)。

表3 草酸鹽的溶度積常數(shù)Table 3 Solubility product constant of oxalates

稀土凈化液經(jīng)草酸沉淀后，將沉淀產(chǎn)物分別在600、750、900 和1050℃下煅燒2 h。圖5為不同煅燒溫度下稀土產(chǎn)物的XRD 譜圖。將上述各溫度煅燒所得稀土產(chǎn)物的衍射峰與PDF 標(biāo)準(zhǔn)卡片（No.43-1036）對(duì)照后可知，所得樣品均為立方相的Y2O3。從圖中可知，當(dāng)煅燒溫度較低（600、750℃）時(shí)，雖然已出現(xiàn)Y2O3的特征峰，但衍射峰型較寬，主衍射峰強(qiáng)度較小，表明此時(shí)樣品的結(jié)晶程度不好，且有不同程度的雜峰存在；當(dāng)煅燒溫度達(dá)到900℃時(shí)，樣品的衍射峰與立方相Y2O3的衍射峰完全吻合，主衍射峰的強(qiáng)度明顯增大，半峰寬變小，衍射峰型更加尖銳，且不存在雜峰，可見此時(shí)樣品的結(jié) 晶度良好，不存在雜相；繼續(xù)升高煅燒溫度至1050℃時(shí)，樣品衍射峰沒有明顯變化。因此，選擇最佳煅燒溫度為900℃。

圖5 不同煅燒溫度下稀土產(chǎn)物的XRD 譜圖Fig.5 XRD patterns of rare earth products at different calcination temperature

圖6為稀土產(chǎn)物在不同煅燒溫度下的粒徑分布。從圖中可以看出，不同溫度下所得稀土產(chǎn)物的粒徑分布曲線均呈對(duì)數(shù)分布。隨著煅燒溫度的升高，曲線逐漸向右移動(dòng)，且峰型逐漸變寬，表明樣品的粒徑逐漸增大；煅燒溫度在600～1050℃之間，樣品D50從1.295 μm 增至13.316 μm。可見，隨著溫度的升高，稀土產(chǎn)物顆粒間的團(tuán)聚越來越明顯，導(dǎo)致粒徑越來越大。煅燒溫度為900℃時(shí)，稀土產(chǎn)物D50為13.059 μm，顆粒分散較為均勻。

2.5 稀土產(chǎn)物的表征

由表2可知，稀酸預(yù)處理后熒光粉的質(zhì)量為18.7321 g，Y2O3占68.51%；由圖2可知，在酸浸最佳工藝條件下，稀土浸出率為94.26%；經(jīng)除雜、沉淀和煅燒后，所得稀土產(chǎn)物經(jīng)水洗烘干后質(zhì)量為11.6334 g。因此，稀土沉淀率為

表4所示為900℃下煅燒2 h 所得稀土產(chǎn)物的化學(xué)成分。從表中可以看出，經(jīng)預(yù)處理、酸浸、除雜、沉淀和煅燒等一系列工序后，從廢棄CRT 熒光粉中提取到的稀土產(chǎn)物總含量為99.20%，其中Y2O3占91.25%。

圖6 稀土產(chǎn)物在不同煅燒溫度下的粒徑分布Fig.6 Particle size distribution of rare earth product under different calcination temperature

表4 稀土產(chǎn)物的化學(xué)組成Table 4 Chemical composition of rare earth product

圖7是900℃下煅燒2 h 所得稀土產(chǎn)物的SEM圖片。從圖中可以看出，所得稀土產(chǎn)物的晶粒由若干片狀晶體密實(shí)堆積而成，形成多面體結(jié)構(gòu)，且晶粒之間相互嵌入，呈現(xiàn)出鑲嵌式接觸。

圖7 稀土產(chǎn)物的SEM 圖Fig.7 SEM image of rare earth product

3 結(jié) 論

（1）在前期稀酸預(yù)處理工藝的基礎(chǔ)上，得出了從廢棄CRT 熒光粉中提取稀土的完整工藝路線。稀酸預(yù)處理后，鹽酸酸浸剩余熒光粉固體的最佳濃度為5 mol·L-1，最佳反應(yīng)溫度為80℃；酸浸后稀土浸出液凈化除雜的pH 控制為5.5，DDTC 最佳用量比為6:1；稀土凈化液經(jīng)草酸沉淀后煅燒的最佳溫度為900℃。

（2）從廢棄CRT熒光粉中提取到稀土產(chǎn)物Y2O3和Eu2O3的總含量為99.20%，其晶粒由若干片狀晶體密實(shí)堆積成多面體結(jié)構(gòu)，晶粒之間相互嵌入，呈鑲嵌式接觸。

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