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难分解钽铌矿低碱分解新工艺及应用基础研究

作　者: 杨秀丽
导　师: 魏昶
学　校: 昆明理工大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: 钽铌矿低碱分解低酸矿浆萃取热力学动力学机理
分类号: TF841.6
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

钽、铌属于稀有高熔点金属,其金属和合金已被广泛应用于钢铁、电子等高新技术领域。从钽铌矿中提取钽、铌及其化合物的关键是矿石的分解和钽、铌的分离。现今工业上广泛使用的钽铌提取方法为氢氟酸法,但该方法用于处理低品位难分解钽铌矿,分解率仅为85%左右,且每吨矿消耗氢氟酸6-8吨,酸耗量较大,同时氟污染严重。为此,中国科学院过程工程研究所开拓了亚熔盐法钽铌矿清洁生产新工艺,使难分解钽铌矿分解率较氢氟酸法提高10%以上,且从源头削减了氟污染。本论文在亚熔盐法钽铌清洁生产工艺的研究基础上,通过对钽铌在碱介质中反应行为的进一步探讨,提出了难分解钽铌矿低碱分解短流程清洁节能新工艺,并重点开展了钽铌矿低碱分解过程及钽铌低酸矿浆萃取分离过程基础研究与过程优化,取得如下创新性进展：(1)研究了难分解钽铌矿氢氧化钠低碱分解过程反应热力学,研究结果表明在氢氧化钠低碱分解体系中,钽铌矿中的Ta2O5和Nb2O5转化为NaTaO3和NaNbO3在热力学上是可行的,为实现钽铌矿的低碱分解提供了理论依据。(2)研究了难分解钽铌矿氢氧化钠低碱分解宏观反应动力学,研究结果表明增大碱矿质量比、减小初始矿物粒径或升高分解温度均能提高铌转化率；分解过程符合固体产物层收缩核模型,受表面化学反应控制,表观活化能为78.82kJ/mol,其动力学方程为1-(1-x)1/3=4.803×103exp(-78820/RT)t。分解渣的XRD分析结果表明,矿中的钽和铌主要转化为偏钽酸钠和偏铌酸钠。在此基础上对低碱分解工艺条件进行了优化,得到了最优反应条件。在最优条件下,钽、铌转化率均达到99%以上,较传统氢氟酸法提高10%以上,大大提高了钽铌矿的资源利用率。(3)系统研究了钽铌低酸矿浆萃取分离体系工艺规律,获得了最佳萃取、洗涤及反萃条件。在最佳工艺条件下,钽、铌单级萃取率均可达99%,钽铌分离系数高达5000。所得含钽有机相经5mol/L稀硫酸洗涤六次后,经纯水反萃,得到的纯钽液采用中和沉淀-过滤-烘干-焙烧处理后,可得到纯度99.6%的氧化钽产品；所得含铌有机相经6mol/L稀硫酸洗涤六次后,经纯水反萃,得到的纯铌液同样采用中和沉淀-过滤-烘干-焙烧处理后,可得到纯度99.5%的氧化铌产品,钽、铌产品均达到工业级产品质量要求。(4)开展了钽铌低酸矿浆萃取动力学研究,结果表明当搅拌速度处于350-400rpm之间时,钽萃取受界面化学反应控制,其萃取速率常数kf为10-2.35±0.1,萃取通量为F(kmol·m-2·s-1)=10-2.35[TaF72-][H+][MIBK](o),总反应速率的控制步骤是H·MIBK+(i)+TaF72-→HTaF7·MIBK-(i)。通过Arrhenius理论得到表观活化能Ea为31.8kJ/mol；通过绝对反应速率理论得到△(?)Ho为29.1kJ/mol,△(?)S°为-185.7J/(mol·K)。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-29
  1.1 研究背景  11-13
  1.2 钽铌资源状况  13-16
  1.3 钽铌精矿的主要分解方法  16-20
    1.3.1 碱分解法  16-19
    1.3.2 酸分解法  19-20
    1.3.3 氯化法  20
  1.4 钽和铌的主要分离方法  20-24
    1.4.1 溶剂萃取法  20-23
    1.4.2 离子交换法  23-24
    1.4.3 分步结晶法  24
  1.5 钽铌湿法冶金技术进展状况  24-25
  1.6 钽铌低碱分解短流程清洁节能新技术  25-27
  1.7 本文研究内容  27-29
第二章钽铌矿氢氧化钠低碱分解过程热力学研究  29-43
  2.1 前言  29
  2.2 氢氧化钠熔盐体系特性  29-30
  2.3 钽铌矿低碱分解过程热力学分析  30-42
    2.3.1 热力学计算理论  32
    2.3.2 钽铌矿的分解  32-42
  2.4 本章小结  42-43
第三章钽铌矿氢氧化钠低碱分解反应宏观动力学研究  43-59
  3.1 前言  43
  3.2 实验部分  43-48
    3.2.1 主要试剂与仪器  43-44
    3.2.2 实验设备  44
    3.2.3 实验方法  44-45
    3.2.4 分析方法  45-46
    3.2.5 实验原料  46-48
  3.3 结果与讨论  48-58
    3.3.1 动力学分析  48-50
    3.3.2 反应温度的影响  50-52
    3.3.3 碱矿质量比的影响  52-53
    3.3.4 初始矿物粒径的影响  53-56
    3.3.5 钽铌矿低碱分解反应过程中钽和铌的行为  56-58
  3.4 本章小结  58-59
第四章钽铌矿氢氧化钠低碱分解工艺研究  59-69
  4.1 前言  59
  4.2 实验部分  59-60
    4.2.1 实验原料  59-60
    4.2.2 实验方法  60
  4.3 结果与讨论  60-68
    4.3.1 正交试验  60-62
    4.3.2 碱矿比的影响  62-63
    4.3.3 反应温度的影响  63-65
    4.3.4 初始矿物粒径的影响  65-66
    4.3.5 反应时间的影响  66-67
    4.3.6 优化条件试验  67-68
  4.4 本章小结  68-69
第五章不溶性钽铌偏盐转型研究  69-77
  5.1 前言  69
  5.2 实验部分  69-71
    5.2.1 实验原料  69-70
    5.2.2 实验方法  70-71
    5.2.3 分析方法  71
  5.3 结果与讨论  71-76
    5.3.1 初始氢氟酸浓度的影响  71-72
    5.3.2 反应时间的影响  72-73
    5.3.3 反应温度的影响  73
    5.3.4 转型液固比的影响  73-74
    5.3.5 转型机理研究  74-76
  5.4 本章小结  76-77
第六章钽铌矿浆低酸萃取体系工艺研究  77-95
  6.1 前言  77-79
  6.2 实验部分  79-80
    6.2.1 实验试剂与仪器  79
    6.2.2 实验方法  79-80
  6.3 萃取相关参数计算  80-81
    6.3.1 萃取率(E)  80-81
    6.3.2 分配比(D)  81
    6.3.3 分离系数(β)  81
  6.4 结果与讨论  81-94
    6.4.1 甲基异丁基酮低酸萃取钽工艺研究  81-86
    6.4.2 甲基异丁基酮萃取铌工艺研究  86-89
    6.4.3 含钽有机相中反萃钽工艺研究  89-91
    6.4.4 含铌有机相反萃取铌工艺研究  91-93
    6.4.5 萃余矿浆循环利用初步研究  93-94
  6.5 本章小结  94-95
第七章钽铌矿浆低酸萃取动力学研究  95-109
  7.1 前言  95
  7.2 实验部分  95-96
    7.2.1 实验原料  95-96
    7.2.2 实验装置  96
    7.2.3 实验方法  96
  7.3 结果与讨论  96-107
    7.3.1 搅拌速度和界面积对钽萃取率的影响  97-99
    7.3.2 动力学研究  99-106
    7.3.3 机理研究  106-107
  7.4 本章小结  107-109
第八章钽铌矿低碱分解新技术工艺流程研究及总体评价  109-117
  8.1 前言  109
  8.2 钽铌矿低碱分解清洁节能新技术工艺流程  109-111
  8.3 钽铌矿低碱分解新技术工艺的消耗估算  111-114
    8.3.1 物料衡算  111-113
    8.3.2 能量衡算  113-114
    8.3.3 钽铌矿低碱分解工艺与现行工艺的比较  114
  8.4 本章小结  114-117
第九章结论与展望  117-121
  9.1 结论  117-118
  9.2 论文创新点  118
  9.3 展望  118-121
致谢  121-123
参考文献  123-131
附录攻读博士学位期间发表论文及申请专利  131-133

难分解钽铌矿低碱分解新工艺及应用基础研究

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