稀土元素的分离与提纯-高婷婷

稀土元素的分离与提纯——分析10高婷婷2023/2/5稀土元素的分离与提纯目前，除Pm以外的16个稀土元素都可提纯到6N（99.9999%）的纯度。由稀土精矿分解后所得到的混合稀土化合物中，分离提取出单一纯稀土元素，在化学工艺上是比较复杂和困难的。其主要原因有二个:一是镧系元素之间的物理性质和化学性质十分相似，多数稀土离子半径居于相邻两元素之间，非常相近，在水溶液中都是稳定的三价态。稀土离子与水的亲和力大，因受水合物的保护，其化学性质非常相似，分离提纯极为困难。二是稀土精矿分解后所得到的混合稀土化合物中伴生的杂质元素较多（如铀、钍、铌、钽、钛、锆、铁、钙、硅、氟、磷等）。因此，在分离稀土元素的工艺流程中，不但要考虑这十几个化学性质极其相近的稀土元素之间的分离，而且还必须考虑稀土元素同伴生的杂质元素之间的分离。2023/2/5一、稀土生产中采用的分离方法分步法（分级结晶法、分级沉淀法和氧化还原法）离子交换法溶剂萃取法

2023/2/5稀土元素分离方法——分步法从1794年发现的钇（Y）到1905年发现的镥（Lu）为止，所有天然存在的稀土元素间的单一分离，还有居里夫妇发现的镭，都是用这种方法分离的。分步法是利用化合物在溶剂中溶解的难易程度（溶解度）上的差别来进行分离和提纯的。方法的操作程序是：将含有两种稀土元素的化合物先以适宜的溶剂溶解后，加热浓缩，溶液中一部分元素化合物析出来（结晶或沉淀）。析出物中，溶解度较小的稀土元素得到富集，溶解度较大点的稀土元素在溶液中也得到富集。因为稀土元素之间的溶解度差别很小，必须重复操作多次才能将这两种稀土元素分离开来，因而这是一件非常困难的工作。全部稀土元素的单一分离耗费了100多年，一次分离重复操作竟达2万次，对于化学工作者而言，其艰辛的程度，可想而知。因此用这样的方法不能大量生产单一稀土。

2023/2/5稀土元素分离方法——离子交换法

由于分步法不能大量生产单一稀土，因而稀土元素的研究工作也受到了阻碍，第二次世界大战后，美国原子弹研制计划即所谓曼哈顿计划推动了稀土分离技术的发展，因稀土元素和铀、钍等放射性元素性质相似，为尽快推进原子能的研究，就将稀土作为其代用品加以利用。而且，为了分析原子核裂变产物中含有的稀土元素，并除去铀、钍中的稀土元素，研究成功了离子交换色层分析法（离子交换法），进而用于稀土元素的分离。2023/2/5稀土元素分离方法——离子交换法离子交换色层法的原理是：首先将阳离子交换树脂填充于柱子内，再将待分离的混合稀土吸附在柱子入口处的那一端，然后让淋洗液从上到下流经柱子。形成了络合物的稀土就脱离离子交换树脂而随淋洗液一起向下流动。流动的过程中稀土络合物分解，再吸附于树脂上。就这样，稀土离子一边吸附、脱离树脂，一边随着淋洗液向柱子的出口端流动。由于稀土离子与络合剂形成的络合物的稳定性不同，因此各种稀土离子向下移动的速度不一样，亲和力大的稀土向下流动快，结果先到达出口端。离子交换法的优点是一次操作可以将多个元素加以分离。而且还能得到高纯度的产品。这种方法的缺点是不能连续处理，一次操作周期花费时间长，还有树脂的再生、交换等所耗成本高，因此，这种曾经是分离大量稀土的主要方法已从主流分离方法上退下来，而被溶剂萃取法取代。但由于离子交换色层法具有获得高纯度单一稀土产品的突出特点，目前，为制取超高纯单一稀土产品以及一些重稀土元素的分离，还需用离子交换色层法分离制取。2023/2/5稀土元素分离方法——溶剂萃取法什么是溶剂萃取法？利用有机溶剂从与其不相混溶的水溶液中把被萃取物提取分离出来的方法称之为有机溶剂法—液液萃取法，简称溶剂萃取法，它是一种把物质从一个液相转移到另一个液相的传质过程。

溶剂萃取法的优点？溶剂萃取法其萃取过程与分级沉淀、分级结晶、离子交换等分离方法相比，具有分离效果好、生产能力大、便于快速连续生产、易于实现自动控制等一系列优点，因而逐渐变成分离大量稀土的主要方法。2023/2/52023/2/5二、稀土元素的提纯工艺为什么要提纯稀土元素？在熔盐电解和金属热还原生产的稀土金属过程中，由于受原料中的杂质含量、设备容器、操作工具、环境气氛等因素影响，上述两种方法制得的稀土金属杂质含量较高。纯的一般在99%左右。随着高新技术的飞速发展，诸多新型稀土功能材料对稀土金属的纯度提出了大于99.9%、甚至99.99%的要求，有的还对部分非稀土杂质的含量作出限制，例如，高纯镝和铽用于Tb-Dy-Fe大磁致伸缩材料，高纯镝、铽、钆用于制备磁光靶材，高纯镝、钬、铒、铥用于高光效金属卤素灯，高纯的铒、钬用于磁致冷材料等。所以稀土金属向高纯化发展已成为当今稀土金属研究开发的重要课题。2023/2/5关于稀土杂质稀土金属中的杂质可分为稀土杂质和非稀土杂质两种。稀土杂质是指除主体稀土元素以外的其他稀土元素，稀土杂质含量的多少表示稀土元素分离程度的好坏。非稀土杂质包括稀土元素以外的其他金属、非金属杂质，特别是C、O、N、H等杂质在金属中溶解度低，多以氧化物、氮化物、氢化物等形式存在，提纯有一定难度2023/2/5稀土金属的提纯方法真空蒸馏法真空熔炼法熔盐萃取法电迁移法区域熔炼法电解精炼法区熔—电迁移联合法2023/2/5真空蒸馏法

首先采用中间合金法制得海绵镝，然后将海绵镝装入钨坩埚内，在高温高真空钽片炉中，于1450℃下进行蒸馏，用钼冷凝器收集，得到的蒸馏镝再于155℃进行二次蒸馏，获得最终高纯镝产品。研究结果表明，在蒸馏提纯过程中，蒸气压与镝相差较大的大部分稀土金属杂质（Fe、Si、Ca、Al、Cu、Zn、Mn、Ti等）含量均有不同程度的降低，蒸汽压与镝相近的钬、铒基本不能除去；C、N、O的去除效果十分明显，这是由于C、N、O在镝中主要以高熔点化合物存在，难以蒸发而残留在坩埚底部。下表为中间产品及最终产品的分析结果，A为海绵镝；B为一次蒸馏镝；C为二次蒸馏镝元素FeCaSiMgAlNiCuTiZnMnCNOA108153102157001084432860B6772343454421470C87102363103132250

2023/2/5真空熔炼法

钙热还原法制得的粗稀土金属中含0.1%～0.3%的钙以及碳、镁、氧等杂质，在真空下对稀土金属进行重熔，除杂明显。在钙热法生产金属含量镝的工艺过程中，采取重熔脱钙并同时加入3%～5%氟化镝，对降低钙镁等杂质含量效果很好，结果右表。中间合金法制备稀土金属工艺中的熔铸成形工序，在充满氩气的电弧炉中进行，对钙、镁、氯化物等有很好的提纯效果。杂质CaMgCOFeTa脱钙前0.350.160.090.240.0560.024脱钙后0.0520.0170.0280.1260.030.182023/2/5实际生产中，在采用钙热还原稀土氟化物制备稀土金属时，由于还原剂钙的过量，往往要采用真空熔炼法降低产品中钙的含量。金属镝中的钙以氟化钙形式游离、溶解形式存在，目前国内在真空熔炼的条件可以去除游离或溶解的钙，并使部分氟化钙化上浮去除，但氟化钙挥发去除比较困难。在真空熔炼金属铽的过程中，为了克服金属铽在半融状态时，钙蒸气大量挥发产生喷溅，使熔炼收率降低的缺点，可以采用固态升华（700～800℃，45min）除去大量易挥发钙之后，再进行液态重熔（1400～