本发明涉及一种从含锆固体废料中分离锆和稀土的方法。
背景技术：
二氧化锆(ZrO2)具有耐腐蚀、耐磨、耐高温、导热系数小等诸多特性，是理想的耐火材料、研磨材料和隔热材料。稀土氧化物与氧化锆陶瓷材料有着密切的联系。向二氧化锆中掺入一定量的稀土氧化物作为稳定剂和改性剂，使之与二氧化锆形成固溶体，可以极大地提高和改善二氧化锆的各项性能。因此，稀土掺杂的二氧化锆基材料在氧传感器、汽车尾气净化用催化剂、固体燃料电池电解质、高温涂层材料、新型陶瓷材料等领域扮演着重要的角色。然而，在生产、加工和使用上述稀土掺杂的二氧化锆基材料时势必产生大量的废弃物，这些废弃物中富含大量的锆和稀土金属，若不进行有效回收，将造成极大地浪费。
二氧化锆基材料的生产过程通常需要经过高温煅烧（>1000℃），这导致该类废料具有极高的耐腐蚀性，采用常规的技术手段难以有效浸出。
目前，从含锆固体中回收锆和稀土的方法有很多。其中关于浸出，主要有两种方法，一种是采用碱浸焙烧后酸溶。专利CN102628104A公开在碱性条件下800~1200℃焙烧废料，焙烧物经酸洗、酸溶后得到含稀土及锆的溶液，该方法反应条件苛刻，步骤繁琐，能耗高。另一种是酸化焙烧后水浸，即将原料和硫酸及其盐混合焙烧后加入水中浸出。如专利CN101244843公开了一种方法，将固溶体废弃物粉末和硫酸及其盐混合，在200~320℃范围内焙烧后，酸化物用水或母液在自热条件下浸出。该方法加入硫酸盐促进溶解，增加溶液中杂质含量和种类，对于该专利中对硫酸铵进行循环回收，适用范围较窄，不适用于含有多种稀土元素的废料分离回收的情况。当然还有采用其他混酸如盐酸和硝酸、氢氟酸和硫酸等进行溶解含锆固体，大部分混酸均采用强氧化性的酸如硝酸、氢氟酸，在工业生产上会产生含氮废物或腐蚀设备，成本高。
对此，本发明提供了一种从含锆固体废料中分离锆和稀土的方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供了一种适用范围广，安全环保，资源回收率高的从含锆固体废料中分离锆和稀土的方法。
为实现前述目的，本发明采用如下技术方案：一种从含锆固体废料中分离锆和稀土的方法，其步骤依次包括粉碎筛分、混合酸化、水浸、萃取与反萃，所述混合酸化是将废料粉末与质量分数为98%的浓硫酸混合反应；
所述萃取与反萃取是指通过有机溶剂从水浸的浸出液中萃取锆，再采用浓度为2~5mol/L的盐酸反萃，得到二氯氧化锆溶液。
作为本发明的进一步改进，所述混合酸化的初始固液比为1：(4~6)，反应过程中温度为 150~250℃。
作为本发明的进一步改进，所述废料为氧化锆和稀土氧化物的混合物；所述稀土为镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进，所述有机溶剂包括萃取剂和稀释剂煤油；所述萃取剂为N1932、N235、TOA中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进，所述有机溶剂包括体积百分比为10~40%的萃取剂和60~90%稀释剂煤油。
作为本发明的进一步改进，所述有机溶剂还包括改性剂；所述改性剂为TBP、正癸醇、正辛醇、正丁醇中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进，所述有机溶剂包括体积比为8~20%的萃取剂、5~15%的改性剂以及65~77%的稀释剂煤油。
作为本发明的进一步改进，所述有机溶剂萃取锆的油水比为(5~15):1；所述盐酸反萃锆的油水比为(8~12):1。
作为本发明的进一步改进，所述溶剂萃取前，需将水浸的浸出液中硫酸的浓度调至150~250g/L。
作为本发明的进一步改进，所述有机溶剂采用浓度为120~180g/L的碱金属碳酸盐或碱金属氢氧化物溶液进行再生。
本发明通过采用硫酸与含锆废料粉末进行酸化反应后，再溶于水中，废料中锆和稀土元素的浸出率分别达95%、99%以上，在不使用助化剂的情况下，浸出率高，安全环保，对设备的要求相对较低。本发明采用有机溶剂萃取锆，盐酸反萃得到二氯氧锆，以分离锆和稀土元素，分离率高，且同时减少了稀土元素的损失。本发明提供的方法，适用可于含有一种或多种稀土元素的固体废料，应用范围广，操作简单，萃取剂选择性强，盐酸反萃彻底，使含量较高的锆离子分离较易，且有机溶剂可再生循环使用，回收率高，成本低。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种从含锆固体废料中分离锆和稀土的方法，其步骤依次包括粉碎筛分、混合酸化、水浸、萃取与反萃，所述混合酸化是将废料粉末与质量分数为98%的浓硫酸混合反应；
所述萃取与反萃是指通过有机溶剂从水浸的浸出液中萃取锆，再采用浓度为2~5mol/L的盐酸反萃，得到二氯氧化锆溶液。
本发明的含锆固体废料主要来源于氧传感器、汽车尾气净化用催化剂、固体燃料电池电解质、高温涂层材料、新型陶瓷材料生产、加工及使用过程中产生的稀土掺杂ZrO2基材料，这些废料为稀土和氧化锆的混合物，稀土主要为镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇中的一种或多种。将废料用破碎机破碎筛分，优选的，采用粒径不大于200目的废料粉末进行混合酸化。
采用废料粉末和质量分数为98%的浓硫酸，按固液比1：（4~6），将浓硫酸加入装有废料粉末的容器中进行混合，温度升至150~250℃，进行酸化反应，反应时间至少3h，整个过程中都要进行搅拌，以避免结块，反应不均匀。
将酸化后形成的混合物趁热加入到装有冷水的容器中，冷水的体积根据混合物的体积而定，优选的，冷水的体积为混合物体积的2.5~5.5倍；搅拌浸出后，进行过滤。
本发明，先将水浸浸出液中硫酸的浓度调至150~250g/L后，采用有机溶剂萃取分离锆，实现锆与稀土的分离。有机溶剂由体积百分比为8~20%的萃取剂、5~15%的改性剂以及65~77%的稀释剂煤油组成的混合有机物；所用萃取剂为N1932、N235、TOA中的一种或多种，改性剂为TBP、正癸醇、正辛醇、正丁醇中的一种或多种。实施例1中，有机溶剂由体积百分比为15%的TOA、8%的正辛醇以及77%的稀释剂煤油组成的的混合有机物；实施例2中，有机溶剂由体积百分比为20%的N235、 80%的稀释剂煤油组成的混合有机物；实施例3中，有机溶剂由体积百分比为18%的N1932、10%的TBP以及72%的煤油组成的混合有机物。有机溶剂萃取锆时，油水比为（5~15）：1，采用2~5级逆流萃取，得到的富锆有机相，再用浓度为2~5mol/L的盐酸溶液进行反萃，油水比（8~12）：1，采用2~5级逆流反萃，得到含锆的反萃液。
本发明中，将反萃液进行蒸发浓缩至锆离子浓度为100~150g/L时，自然冷却至室温结晶后，离心甩干得到二氯氧化锆晶体。另外，萃取分离锆后的萃余液，可采用选择沉淀法或者萃取分离法，进一步回收稀土元素。实施例1，将萃取分离锆后的萃余液，通过选择沉淀法进一步分离铈和钪；实施例3，将萃取分离锆后的萃余液，通过萃取分离法进一步分离钪和钇、钕。
实施例1。
原料来源于固体燃料电池，其主要成分为81.23 wt% ZrO2，6.72 wt% Sc2O3，1.22 wt% CeO2。
有机溶剂由体积百分比15%的TOA、8%的正辛醇以及77%的稀释剂煤油组成的混合有机物。
1）破碎筛分：将废料用破碎机进行破碎后，过-200目筛子，取筛下物的废料粉末用作浸出原料。
2）混合酸化：先搭反应浸出装置，取400mL 98% H2SO4加入三颈烧瓶中，开启搅拌，转速为300r/min，将称取的100g废料粉末，缓慢加入至烧瓶后，升温至150℃，搅拌反应8小时。
3）水浸：酸化反应结束后，停止搅拌，趁热将固液混合物一起倒入装有500mL冷水的敞口烧杯中，在70~80℃温度下，搅拌反应1h后，滤渣用600mL水分两次洗涤滤渣，洗液与上述滤液混合后形成水浸浸出液，取样，采用ICP-MS检测分析。
经检测数据计算，钪、锆、铈的浸出率分别为99.90%、98.06%、99.88% 。
4）分离锆：
a、萃取锆：取上述水浸浸出液与有机溶剂按油水比O/A=5:1，进行混合，经四级逆流萃取，得到富锆有机相和含铈、钪的萃余液，实现锆与稀土的分离，将萃余液取样，采用ICP-MS检测分析。
b、反萃：将含锆有机相与浓度为2mol/L的盐酸溶液，按照油水比O/A=8:1进行反萃，得到富锆的反萃液，取样，采用ICP-MS检测分析。
经检测数据计算，锆的萃取率达到98%，反萃率达到100%。
5）分离稀土：取步骤4）中含铈、钪的萃余液，加入碱金属硫酸盐分离回收铈，铈与碱金属硫酸盐生成复盐沉淀与钪分离，过滤后，向滤液中加入草酸，得到草酸钪，草酸钪在1000℃煅烧，形成氧化钪。
钪和铈的回收率为98.58%和99.23%。
实施例2。
原料来源于氧传感器废料，其主要成分为92 wt%ZrO2、8 wt%Y2O3。
有机溶剂由体积百分比为20%的N235、 80%的稀释剂煤油组成的混合有机物。
1) 破碎筛分：将废料用破碎机进行破碎后，过-250目筛子，取筛下物的废料粉末用作浸出原料。
2）混合酸化：取废料粉末与质量分数为98%的浓硫酸，按固液比为1:5，搅拌混合后，升温至200℃下反应5h。
3）水浸：酸化反应结束后，趁热将酸化形成的固液混合物加入到冷水中，在70~80℃下，搅拌1.5h后，过滤，滤渣水洗，所得水洗液与上述滤液混合形成水浸浸出液，取样，采用ICP-MS检测分析。
经检测数据计算，钇、锆的浸出率分别为99.90%、98.0%。
4）分离锆：
a、萃取锆：将上述水浸浸出液与有机溶剂，按照油水比为O/A=10:1混合，经三级逆流萃取，得到富锆有机相和含钇萃余液。
b、反萃：将含锆有机相与浓度为3mol/L的盐酸溶液，按照油水比O/A=10:1进行反萃，得到富锆的反萃液，取样，采用ICP-MS检测分析。
经检测数据计算，锆的萃取率达到99%，反萃率达到100%。
5）分离稀土：向步骤4)中含钇萃余液加入草酸，得到草酸钇固体，在1000℃下煅烧，形成氧化钇。
经检测数据计算，钇的回收率为99.2%。
实施例3。
原料来源于新型陶瓷材料废料，其主要成分为90 wt%ZrO2、9 wt%Sc2O3、0.5 wt%Nd2O3、0.3 wt%Y2O3。
有机溶剂由体积百分比为18%的N1932、10%的TBP以及72%的煤油组成的混合有机物。
1) 破碎筛分：将废料用破碎机进行破碎后，过-200目筛子，取筛下物的废料粉末用作浸出原料。
2）混合酸化：取废料粉末与质量分数为98%的浓硫酸，按固液比为1:6，搅拌混合后，升温至250℃下反应3h。
3）水浸：酸化反应结束后，趁热将酸化形成的固液混合物加入到冷水中，在70~80℃下，搅拌1.5h后，过滤，滤渣水洗，所得水洗液与上述滤液混合形成水浸浸出液，取样，采用ICP-MS检测分析。
经检测数据计算，锆、钪、钕、钇的浸出率分别为98.0%、99.3%、99.2%、99.5%。
4）分离锆：
a、萃取锆：将上述水浸浸出液与有机溶剂，按照油水比为O/A=15混合，经三级逆流萃取，得到富锆有机相和含钪、钕、钇的萃余液。
b、反萃：取含锆有机相与浓度为5mol/L的盐酸溶液，按照油水比O/A=12:1进行反萃，得到富锆的反萃液，取样，采用ICP-MS检测分析。
经检测数据计算，锆的萃取率达到99%，反萃率达到100%。
5）分离稀土：步骤4)中含钪、钕、钇的萃余液先采用萃取分离钪，得到富钪有机相和含钕、钇的萃余液。该萃取的有机溶剂为体积百分比为20%P204和80%的煤油混合物，富钪有机物采用80g/L的草酸溶液反萃，萃含钕、钇的萃余液加入草酸沉淀钇、钕，得到的沉淀物在1000℃下煅烧，形成氧化物。
步骤5）中，钪的回收率大于95%，钇、钕的回收率大于98%以上。
以上实例中，经盐酸反萃得到的含锆反萃液，均采用蒸发浓缩的方式，至反萃液中锆离子浓度为100~150g/L时，停止加热，使其自然冷却降温至室温结晶，离心甩干后得到二氯氧化锆晶体。
本发明仅采用硫酸酸化后水浸，废料中锆的浸出率在98%以上，稀土元素的浸出率均在99%以上。本发明中，水浸浸出液在硫酸体系下，采用有机溶剂萃取分离锆，并使用盐酸溶液进行反萃取，锆的分离效果好、回收率高，同时减少了稀土元素的损失。本发明，适用范围广，方法简单，操作方便，分离系数高，回收率高，成本低、安全环保。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。