[发明专利]固废液废三相法提取烯碳富集稀土分离无机材料的方法

说明书

本发明特别是公开了一种固废液废三相法提取烯碳富集稀土分离无机材料的方法，本发明以超临界ScCO₂/H₂O/有机脂三相提取系统为主，辅以搅拌、微波、超声或加热或适度加酸等强化提取及强化传质等手段，必要时利用高速球磨等机械力剥离强化化学键的断裂和重新接合，ScCO₂相与H₂O相配合形成超临界、酸性环境解离固废中稀土和碳质，安全环保的有机脂类助剂与稀土发生络合，萃取溶于H₂O相的稀土，而多孔碳质或石墨烯碳基本保留在H₂O中，稀土在有机酯相同时转移到CO₂相中形成稳定的CO₂扩展溶液相，从而改变溶质在两相中的分配系数，完成稀土元素与烯碳的分离提取。

技术领域

本发明属于煤基固废处理领域，特别是涉及一种固废液废三相法提取烯碳富集稀土分离无机材料的方法。

背景技术

我国是世界上最大的煤炭开采、煤电及煤化工产品生产国，煤炭生产、加工和消费过程中会产生大量固体、液体废物，已对环境造成巨大负担，如2015年我国粉煤灰的产量高达6.2亿吨，历年累计量更大，不及时、适当处理的煤基废料会对环境及人类生存造成威胁。目前国家政策大力支持劣质煤和煤矸石的燃烧发电即为积极应对，同时积极推进各种固废利用、液废治理等手段，我国固废的综合利用率约为60%，其中粉煤灰主要用于建筑水泥原料、基础工程填料、农业土壤改良及废水、废气治理等领域，特殊用途包括空心微珠提取、耐火材料和合成沸石等。传统用途吃灰量大，但经济价值低、用途受限。煤基固废、液废富含铝、硅、碳质及其它可资利用的元素，而配焦精煤供应钢铁、有色冶炼行业而产生的固废、液废成分更为丰富且复杂，现已明确粉煤灰有可提取高附加值产品的潜力，如稀土等贵金属。

稀土被誉为21世纪新材料的“工业维生素”，具有独特的光、电、磁和催化性能，代用度低，是新兴高技术领域、国防建设及改造传统产业的重要基础战略物资。稀土为国家绿色技术发展提供原料支撑，新兴市场需求巨大。国家提出产业上聚焦新能源(光伏技术等)、新能源汽车(储能系统、电机本体)和新材料(半导体照明材料、新型功能材料)。同时先进碳材料也为国家绿色技术发展提供原料支撑，新兴市场需求巨大。先进的碳材料包括高质量石墨、结晶规则孔结构发达的多孔碳及新型的烯碳。石墨是诸多重要工业领域的必须原料，多孔碳是超级电容器、锂电池的电极基材，石墨烯的问世更使新材料领域发生跃进，引发全球研究热潮。石墨烯原料一般为天然石墨及石油焦和无烟煤生产的石墨原料，生产过程受一次资源限制，且石墨化过程温度条件(通常为2400℃)苛刻且能耗高。

煤基固废或液废以及钢铁有色冶炼行业固废液废有望成为其新的二次资源，但目前尚未形成明显的交集，重视、先期布局以煤基固废提取与富集先进碳材料及稀土元素体现了技术发展的前瞻性。已有研究表明煤的分子结构中存在可提取的石墨烯量子点，煤结构中的结晶碳更容易被氧化取代，可应用于光电化学、生物医学等领域。煤气化系统的固废残焦中普遍碳含量高，粉煤灰碳含量较低，飞灰产量巨大，碳的绝对产出量相当可观，另外不对其分离会对粉煤灰的常规利用产生不利影响。这些残碳均经历了高温过程，石墨化程度更高，碳结构趋于规整均一化，有潜力成为来源可观的石墨前驱体、再至石墨烯碳原料。同时煤是一种结构组成复杂的固体混合物，含多种低浓度的稀土、贵金属，有些已经达到伴生矿床规模并开发利用，由于煤炭开采总量巨大，煤基固废分离碳质、直接提取烯碳和稀土并回收硅铝等无机元素，将大幅提升废弃物的资源价值、延长煤炭产业链；将煤基产业作为稀土、贵金属的又一新兴来源具有重大战略意义。稀土元素熔沸点较高，经过煤的燃烧或气化过程，会向煤灰、煤焦等煤基固废中富集，不需要传统稀土矿采矿和分解步骤，可直接并入传统稀土的精制阶段，因此有望减少污染、降低对生态的破坏，为促进煤基固废稀土提取的经济可行性提供依据。受现有技术水平的制约，在提取率、能耗、物耗、环保及可操作性等方面存在缺陷，主要的酸碱法后继处理问题多，一些创新的基础研究，如离子液体法、吸附剂法及光转化法，面临成本偏高、提取后品位低、再次分离等问题，较难支撑易被企业接受的适宜工业化生产技术方案。