通过协同熔炼实现低品位铍矿的前端除铁与铍活化

《Sustainable Materials and Technologies》：Front-end iron removal and beryllium activation for low-grade beryllium ores via synergistic smelting

　　

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  开发了一种氧化钙 - 碳冶炼路线用于低品位铍矿。
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  碳促进了铁的还原和渣 - 金属相分离。
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  氧化钙使铝硅酸盐网络解聚并激活铍。
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  所需的 SiO₂/CaO 比从 1:0.5 降至 1:0.3。
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  实现了高铍浸出，且浸出液中铁含量降低。

引言

铍 (Be) 是一种具有战略重要性的金属，由于其独特的物理化学性质，广泛应用于航空航天、核技术和聚变相关应用 [1], [2], [3]。然而，铍在地壳中相对稀缺，主要赋存于硅酸盐矿物中，如绿柱石 (Be₃Al₂Si₆O₁₈) 和硅铍矿 (Be₂SiO₄) [4], [5], [6]。随着对关键矿物资源需求的增加和地缘政治不确定性的加剧，高效利用低品位铍矿对于确保铍原料的稳定供应变得越来越重要 [7], [8], [9]。在国际热核聚变实验堆 (ITER) 中，铍被用作测试包层系统中的中子倍增剂，以增强氚的增殖 [10], [11], [12], [13]。因此，开发有效的低品位铍矿利用工艺具有重要的实际意义 [14], [15]。

目前，主要的铍提取工业方法包括硫酸法、氟化法和酸浸 - 萃取法 [16], [17]。在这些方法中，硫酸法应用最为广泛。然而，硫酸法在应用于低品位矿石时存在显著局限性 [18], [19]。低品位矿石通常含有高浓度的伴生杂质元素。直接硫酸浸出会导致这些杂质大量溶解到浸出液中，从而增加了后续分离和纯化步骤的负担，并 complicating 废物管理 [20], [21]。含铍浸出液的常规纯化路线涉及两个主要步骤：蒸发结晶 followed by 氧化 - 中和 [22], [23], [24]。首先，加入硫酸铵，并通过蒸发浓缩溶液，导致铝作为铵明矾优先结晶 [25], [26], [27]。随后，使用氧化剂将 Fe²⁺ 氧化为 Fe³⁺，然后通过氨调节 pH 值以沉淀氢氧化铁和氢氧化铝。在此过程中，高浓度的 Fe²⁺ 可能导致通过共沉淀造成铍损失，从而降低分离效率。此外，较高的杂质水平会增加氧化剂和碱性试剂的消耗，以及废物流的含盐量。因此，在水冶金提取之前减少杂质负荷对于高效回收低品位矿石中的铍至关重要。

近年来，各种技术，包括微波辅助处理、离子液体萃取和钠焙烧，已被探索用于从铍矿中提取铍，并取得了显著进展 [28], [29], [30], [31]。然而，大多数这些研究仍停留在实验室规模，且一些方法难以放大到工业生产 [32], [33]。相比之下，针对低品位铍矿前端除杂的火法冶金预处理较少被系统研究。特别是，杂质迁移、渣 - 网络重构以及后续铍浸出行为的耦合调控仍然理解不足。为了解决这一知识差距，本研究提出了一种工艺概念，涉及针对含有复杂伴生矿物的低品位铍矿的前端除杂和后端减负。

本研究的核心概念是应用含碳还原剂实现高温除铁，从而降低化学浸出前的杂质负荷。同时，氧化钙 - 碳协同系统促进铝硅酸盐框架的解聚，从而增强铍的释放并提高后续浸出效率。基于这一概念，本研究调查了不同冶炼条件下矿物结构的演变和关键元素的迁移模式。具体而言，系统地研究了 SiO₂/CaO 比、碳添加量和冷却方式对相演变、元素迁移及后续硫酸浸出行为的影响。采用 XRD、SEM-EDS、FT-IR 和 ICP-OES 来检查铍释放的机制。本研究为低品位复杂铍资源的工业化利用提供了一种潜在技术路线的实验证据。

章节摘要

原材料

本研究使用的原矿样品由中国新疆的一家冶炼厂提供。原材料使用颚式破碎机 (PE100 × 125, 3 kW) 进行预处理，随后使用盘式破碎机 (MP-φ175, 900 r/min)。通过机械筛分获得通过 200 目筛的样品。制备的材料通过四分法进行均化，随后在 120°C 的恒温烘箱中干燥 24 小时以去除残留水分。分析级试剂，包括氧化钙

低品位铍矿的矿物学表征

通过重量分析测定，初始样品的水分含量为 3.38%。XRF 分析显示，SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、K₂O 和 Na₂O 的质量分数分别为 59.05%、15.86%、2.03%、0.93%、0.28% 和 1.18%。通过 ICP-OES 测定的 Be、Fe、Li 和 Mn 含量分别为 1.74%、5.54%、0.63% 和 1.09% (图 1a)。XRD 分析鉴定出绿柱石 (Be₃Al₂Si₆O₁₈)、锂辉石 (LiAlSi₂O₆)、石英 (SiO₂) 和 Fe₂O₃ 为主要矿物相 (图 1b)。这些

结论

本研究开发了一种氧化钙 - 碳协同冶炼路线，通过渣结构解聚和还原诱导相分离的双重功能，实现了从低品位铍矿中高效除铁和铍激活。热力学计算和实验结果证实，在冶炼过程中铍稳定保留在玻璃质渣相中，而氧化铁在高温下被还原，随后在缓慢冷却过程中

CRediT 作者贡献声明

周振涛 (Zhentao Zhou): 写作 - 审阅与编辑，写作 - 原稿，可视化，验证，监督，调查，正式分析，数据整理，概念化。 孙淑辰 (Shuchen Sun): 监督，资源，资金获取。 肖法新 (Faxin Xiao): 监督，数据整理。 罗旭伟 (Xuwei Luo): 数据整理。 杨子彦 (Ziyan Yang): 可视化，资源。 陈静怡 (Jingyi Chen): 数据整理。 涂甘峰 (Ganfeng Tu): 监督，软件，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢来自国家重点研发计划 (2022YFB3504401)、新疆维吾尔自治区重大科技项目 (2024A03002-2) 和中央高校基本科研业务费专项资金 (N25BSS024) 的资金支持。

周振涛 (Zhentao Zhou)|孙淑辰 (Shuchen Sun)|肖法新 (Faxin Xiao)|罗旭伟 (Xuwei Luo)|杨子彦 (Ziyan Yang)|陈静怡 (Jingyi Chen)|涂甘峰 (Ganfeng Tu)