《鹼熔解離藍粉β-Al2O3和綠粉畸變磁鉛礦晶體結構的機理》是依託北京科技大學，由張深根擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：鹼熔解離藍粉β-Al2O3和綠粉畸變磁鉛礦晶體結構的機理
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：張深根
- 項目類別：面上項目
- 批准號：51472030
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
2013年我國稀土螢光粉產量和報廢量分別為9000噸4500噸。廢舊稀土螢光粉由三基色粉組成，因藍綠粉分別為β-A12O3和畸變磁鉛礦晶體結構陶瓷相，不溶於酸鹼，致稀土回收率低。採用申請人發明的兩代酸解技術，即第一次酸解廢舊紅粉，陶瓷相的藍綠粉進行鹼熔轉化成氧化物後第二次酸解，將稀土回收率由原50%提高到90%以上。研究稀土原子在β-A12O3型和畸變磁鉛礦型晶體結構中的占位，確定並計算其化學鍵種類和鍵能，闡明藍綠粉穩定性機理；分析並計算藍綠粉鹼熔反應過程稀土-氧離子鍵鍵長變化，解析化學鍵斷裂、晶體結構失穩和解離機理，闡明鹼熔反應過程，建立藍綠粉晶體結構解離模型。本研究思路未見報導。研究成果不僅將豐富物理化學和晶體學理論，闡明傳統酸解工藝難以回收藍綠粉中稀土的科學問題，為高效回收廢舊稀土螢光粉稀土提供理論指導和技術思路，而且對具有陶瓷相晶體結構的其它二次資源再利用提供科學思路。
結題摘要
近幾年產廢舊稀土三基色螢光粉平均產量約4500噸，由於藍綠粉晶體結構穩定，造成稀土元素回收率低。本項目研究了藍粉β-A12O3 型和綠粉畸變磁鉛礦型晶體結構中稀土原子的占位，分析了晶體結構失穩邊界條件，闡明鹼熔反應機理，建立藍綠粉晶體結構解離模型，形成了藍綠粉鹼熔分解崩塌理論。 （1）分析了藍綠粉的晶體結構中稀土原子占位，原子半徑較大的稀土原子處於層狀結構的β-A12O3 型和綠粉畸變磁鉛礦型晶體中的鏡面層，與O原子配位成鍵，並連線於中間層中的其他金屬原子，形成穩定結構。 （2）計算了各稀土原子與其他離子的結合能，確定了與鏡面層中O原子配位關係。 （3）分析了鹼熔反應的失穩邊界，鹼熔反應的失穩邊界溫度均為293℃，晶格失穩是由原子熱運動下，鏡面層稀土原子被取代，價態的不同，產生間隙Na+或氧空位所導致晶體逐步解離。 （4）採用非模型擬合動力學Kissinger方法計算了解離動力學參數，藍粉：鹼熔活化能Eα=583.78 KJ·mol-1, 指前因子 A=2.95×1054 min-1，反應速率常數 K=2.27 min-1；綠粉：鹼熔活化能Eα=550.73 KJ·mol-1, 指前因子 A=7.29×1050 min-1反應速率常數 K=2.045 min-1。結合KAS, FWO和Friedman三種方法計算得到的活化能趨勢相同。 （5）闡述了鹼熔崩塌機理，高溫下，鋁酸鹽晶格振動加劇，NaOH熔融成離子態。Na+取代鏡面層中的稀土和鹼土離子，由於價態的不同，產生間隙Na+或氧空位，導致晶體結構失穩，晶格從鏡面層開始崩塌。反應繼續到尖晶石層，Na+置換尖晶石層Mg2+，晶格重組成NaAlO2。置換出來的稀土離子等最終生成BaCO3、REO和MgO，以及H2O。 （6）基於鹼熔機理研發了兩代酸解工藝，總體回收率為92.34%，其中Y、Eu、Ce和Tb 的回收率分別約為92.76%、94.60%、79.44% 和 84.93%。鹽酸用量節約了41.67%，片鹼節約了37.5%，鹼熔的物料質量降低了43.18%，有效降低了鹼熔時的能耗。
