赤泥是铝土矿在生产氧化铝过程中产生的一种工业固体废弃物，具有高碱性、放射性，以及物质组成复杂的特点，其长期堆存会对周边环境造成污染。赤泥的安全处置与综合利用是该行业可持续发展面临的关键技术瓶颈。钪等稀土元素是我国的关键矿产资源，因其独特性质广泛应用于多个领域。赤泥伴生有稀土、铁、铝、钙、钛等金属元素，其中钪元素的含量通常在60-80 μg/g，是重要的稀土二次资源。
本文以贵州清镇地区的赤泥为例，对其化学组分和物相组成进行分析，开发了对赤泥中钪等稀土元素选择性分离提取的新方法，具体为硫酸铁硫化焙烧-水浸法和草酸-硫酸多级提取法，并对提取分离过程中的反应机理进行了研究。
论文取得的主要研究成果如下：
开发了采用硫酸铁硫化焙烧-水浸的方法对赤泥中钪进行选择性回收的新方法。提取过程中的主要作用机理是利用了不同硫酸盐分解温度的差异。在焙烧过程中，硫酸铁与赤泥中钙钛矿、钛铁矿、磷酸盐、碳酸盐等含钪矿物发生反应，生成钪、铁、铝等的金属硫酸盐，这些硫酸盐进一步受热分解生成相应的氧化物和三氧化硫；赤泥中主要含钪矿物赤铁矿在焙烧过程中与三氧化硫反应生成硫酸铁。焙烧过程中矿物中的钪反应生成的硫酸钪，经水浸溶解至溶液中，而铁、铝等元素生成的氧化物，在水浸过程中残留在浸出渣中，从而实现了钪的选择性分离。通过对硫化焙烧环节硫酸铁添加量、焙烧温度、焙烧时间、焙烧氛围，以及水浸环节液固比、浸出温度、浸出时间等因素对分离效果的影响研究，确定了最佳实验方案。实验结果表明：赤泥与硫酸铁比例为1:1 的混合物在700 °C 下焙烧15 分钟，再于25 °C 下以10 mL/g 的液固比水浸反应180 分钟条件下，钪元素的选择性提取率可达78.8%，实现了钪的有效提取。采用多次浸出方法，浸出液的钪浓度可由单次浸出的2.0 mg/L 提高至8.9 mg/L，有利于后续钪的萃取分离。该方法在硫化焙烧中使用硫酸铁替代浓硫酸和硫酸铵，在无酸无氨的条件下进行钪的提取，具有环境友好性。
开发了草酸-硫酸多级提取赤泥中稀土元素和铁、铝、硅钛的综合回收方法。该方法的主要反应过程及机理为：采用草酸浸出处理方式将赤泥中的铁、铝、硅、钛等主量元素溶解至溶液中，稀土元素与草酸反应形成的稀土草酸盐沉淀至浸出渣中。利用草酸钙焙烧可热分解为碳酸钙，以及盐酸可有效溶解碳酸钙的机理，草酸浸出渣采用焙烧结合稀盐酸洗涤除去钙后，再利用硫酸浸出实现稀土的有效分离。该方法是在草酸溶解基础上，用1 mol/L 的低浓度硫酸实现钪等稀土的选择性提取。赤泥中稀土提取率可达80%；在硫酸浸出提取稀土环节，除钙渣中铁、铝等元素浸出率均低于4%。
草酸处理赤泥浸出液中铁、铝、硅钛元素的通过分步沉淀方式进行分离。利用光催化可还原草酸铁络合物生成草酸亚铁沉淀的机理，采用紫外线和自然光照射处理草酸浸出液，实现铁资源的回收，铁的回收率可达69%，获得的草酸亚铁纯度可达98.6%。通过对除铁后的草酸浸出液体系的pH 值及草酸根浓度的调控，实现了铝、硅钛的分离回收。氢氧化钠、氧化钙和碳酸钙三种物质对沉淀效果的影响实验研究表明，体系的pH 值和草酸根浓度是控制沉淀的主要因素。采用氢氧化钠调节时，由于体系中草酸根的存在，铝、硅、钛在pH 6.0-8.0 范围内同时沉淀，无法实现有效分离；采用氧化钙在调节时，在pH 为4.0时硅钛实现沉淀，而71%的铝留在溶液中。浸出液中的H4SiO4 与Ca2+形成硅酸钙沉淀；采用碳酸钙调节时，在pH 值为4.0，硅钛发生沉淀，83%的铝留在溶液中。浸出液中4SiO4直接脱水沉淀为SiO2。因此选用碳酸钙调节浸出液pH，有利于铝、硅钛元素的分离以及后续硅钛的纯化。获得的硅钛沉淀和含铝滤液可进一步处理得到硅钛富集料和无定形氢氧化铝。
本论文开发的赤泥中钪等有价元素分离提取方法各有优势，硫酸铁硫化焙烧-水浸法可以在无酸无氨的条件下实现对赤泥中钪的选择性提取；而草酸-硫酸多级提取法可在实现对赤泥中钪等稀土元素高效提取的同时，综合回收铁、铝、硅钛等资源，方法流程完善，回收的产品纯度高，具有工业应用的潜力。以上研究成果均为赤泥的资源化利用提供了新的技术。