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摘要：稀有金屬涉及元素多，覆蓋面非常廣，同類稀有金屬中元素的性質(zhì)相似程度高，不同類稀有金屬元素冶煉提取工藝及過程差別非常大。為提高稀有金屬冶金學(xué)課程教學(xué)效果，引入對(duì)比教學(xué)法。分析了對(duì)比教學(xué)在稀有金屬冶金學(xué)中應(yīng)用的可行性，稀有金屬冶金學(xué)中可作為對(duì)比教學(xué)的內(nèi)容，并從課堂組織方面介紹了保證教學(xué)效果的方案。教學(xué)實(shí)踐表明，對(duì)比教學(xué)法適合稀有金屬冶金學(xué)教學(xué)，教學(xué)效果顯著提高。

關(guān)鍵詞：稀有金屬冶金學(xué)；對(duì)比教學(xué)；鎢鉬；鈦鋯鉿；溶劑萃取；離子交換

稀有金屬冶金學(xué)是有色金屬冶金專業(yè)重要的骨干課程，作為冶金工程學(xué)科的一個(gè)分支，主要研究稀有金屬冶金過程原理和工藝。課程的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生掌握稀有金屬冶金過程的基本原理、基本工藝和相關(guān)設(shè)備，為工藝優(yōu)化、資源高效利用及冶金過程環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)，并為今后工作和學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在有色金屬分類過程中，一般將地殼中賦存量小、礦床品位及儲(chǔ)量低、提取困難和發(fā)現(xiàn)較晚的金屬歸類為稀有金屬。按照中國(guó)的慣例，將稀有金屬分為稀有輕金屬、稀有高熔點(diǎn)金屬、稀土金屬和稀散金屬四大類，包含的元素多達(dá)59種，覆蓋面非常廣[1]。一直以來，本校稀有金屬冶金學(xué)課程的授課對(duì)象為有色金屬冶金方向的大三學(xué)生，學(xué)時(shí)為48，按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法，只能對(duì)鎢冶金、鉬冶金和鈦冶金進(jìn)行講解，沒有多余學(xué)時(shí)涉及稀土等其它稀有金屬冶金過程。

對(duì)比法是文學(xué)創(chuàng)作中常用的一種表現(xiàn)手法，把對(duì)立或相近的意思或事物放在一起作比較，讓讀者在比較中分清好壞，辨別是非。對(duì)比教學(xué)即是借鑒文學(xué)創(chuàng)作中的對(duì)比法，將具有聯(lián)系和區(qū)別的教學(xué)內(nèi)容放到一起進(jìn)行對(duì)比分析，找出相同和不同之處，使學(xué)生在掌握了一個(gè)內(nèi)容之后能夠自然地聯(lián)系到另一個(gè)內(nèi)容，并能自行理解和掌握，從而達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。將教學(xué)內(nèi)容相近或?qū)α⒌膬?nèi)容聯(lián)系起來形成對(duì)比，其本質(zhì)特征在于“比較”、“對(duì)照”、“對(duì)比”和“參照”，依據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)（內(nèi)容的或形式的）把彼此之間具有某種聯(lián)系的教學(xué)材料或教學(xué)內(nèi)容放在一起，加以對(duì)比分析，以確定其異同關(guān)系，認(rèn)識(shí)其本質(zhì)差異。從教學(xué)內(nèi)容異同和訓(xùn)練學(xué)生思維的角度，可將對(duì)比教學(xué)分為兩個(gè)類型：求同比較，將相近的知識(shí)點(diǎn)放到一起加以比較，找出其共同點(diǎn)和共性，學(xué)生利用新知識(shí)和舊知識(shí)的聯(lián)系，溫故知新，加深對(duì)舊知識(shí)的理解和新知識(shí)的認(rèn)識(shí)；求異比較，任何事物之間均存在一定差異，通過比較相近知識(shí)點(diǎn)和內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生揭示其差異，增強(qiáng)對(duì)類似規(guī)律和內(nèi)容的區(qū)分，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解。正確運(yùn)用對(duì)比教學(xué)法，不僅可以將新舊知識(shí)、事務(wù)關(guān)系溝通組織起來，而且能夠培提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，活躍思維，還能創(chuàng)造良好的教學(xué)氣氛和秩序，幫助學(xué)生分清概念，提高分析水平，獲得規(guī)律性認(rèn)識(shí)[2-3]。

一、對(duì)比教學(xué)可行性

目前使用的教材是1990年冶金工業(yè)出版社出版的由李洪桂主編的《稀有金屬冶金學(xué)》，主要內(nèi)容包括鎢鉬冶金、鈦鋯鉿冶金、鉭鈮冶金、稀土金屬冶金，以及高純和致密稀有金屬生產(chǎn)5個(gè)部分。由于教材編寫時(shí)間較早，內(nèi)容相對(duì)陳舊，與現(xiàn)行生產(chǎn)實(shí)踐存在很大差異。例如，含鎢溶液凈化的溶劑萃取工藝，教材只介紹了酸性萃鎢工藝，由于在酸性條件下鎢和主要雜質(zhì)如磷、砷、硅等可形成雜多酸而同時(shí)被萃取，在萃取之前需采用化學(xué)法除雜。實(shí)際上，近年來隨著鎢工業(yè)的蓬勃發(fā)展及鎢提取冶金技術(shù)的進(jìn)步，堿性萃鎢工藝已完全成熟，可以在萃取過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)富集和除雜功能。此外，雖然現(xiàn)在已不用傳統(tǒng)“黑板+粉筆”式的教學(xué)方法，而采用幻燈片為主的多媒體教學(xué)，但往往只對(duì)教材中的工藝和技術(shù)等進(jìn)行逐條講解。這一方面使授課內(nèi)容枯燥無味；另一方面，授課效率不高，課程內(nèi)容講述不全。稀有金屬冶金學(xué)課程安排了48學(xué)時(shí)，按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法，只能對(duì)鎢冶金、鉬冶金和鈦冶金進(jìn)行講解，沒有多余學(xué)時(shí)涉及稀土等其它稀有金屬及冶金過程。稀有金屬包含59種元素，覆蓋面非常廣。學(xué)生的興趣是多樣的，有的對(duì)鉬冶金感興趣，有的對(duì)鋯、鉿冶金感興趣，有的對(duì)稀土冶煉分離過程感興趣，還有不少學(xué)生希望了解目前稀有金屬冶金的研究熱點(diǎn)。在有限的教學(xué)時(shí)間完全滿足所有學(xué)生的要求是不現(xiàn)實(shí)的，但在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，大三學(xué)生已經(jīng)具備了一定自學(xué)能力，通過前期對(duì)無機(jī)及元素化學(xué)的學(xué)習(xí)，已經(jīng)掌握了部分元素的主要性質(zhì)。

因此，通過元素性質(zhì)的對(duì)比，學(xué)生更容易理解和掌握相應(yīng)稀有金屬的提取原理和工藝。同時(shí)，根據(jù)稀有金屬的特點(diǎn)，同類稀有金屬中元素的性質(zhì)相似程度高，不同類稀有金屬元素的冶煉提取工藝及過程差別非常大。因此，在教學(xué)過程中選取代表性的金屬講解其提取原理和工藝，針對(duì)同類稀有金屬元素冶金過程，分析其元素性質(zhì)差異，并對(duì)比冶煉過程的異同，可使學(xué)生更易于掌握同類稀有金屬冶煉工藝、原理和規(guī)律，擴(kuò)展知識(shí)面。

二、教學(xué)內(nèi)容選擇

在教學(xué)過程中，并不是所有知識(shí)點(diǎn)都適于對(duì)比教學(xué)。用于對(duì)比教學(xué)的兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)或內(nèi)容之間要有一定聯(lián)系，還應(yīng)有一定區(qū)別，通過對(duì)其異同之間的分析，應(yīng)該能夠揭示其內(nèi)在的規(guī)律。

（一）鎢鉬對(duì)比教學(xué)[4]

1．鎢鉬性質(zhì)比較

鎢鉬同屬元素周期表第VI族副族，物理、化學(xué)性質(zhì)相似，具有較高熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，屬變價(jià)金屬，氧化物均有六價(jià)和四價(jià)形式，并具有中間氧化物；可溶于堿性溶液形成正鎢酸鹽和鉬酸鹽，隨著溶液pH值的變化，鎢鉬均可發(fā)生聚合形成同多酸鹽；在弱酸性及酸性溶液中，可與磷、砷、硅等10余種元素形成雜多酸；氯化物也有相應(yīng)的二氯化物、三氯化物、四氯化物、五氯化物和六氯化物。鎢鉬的性質(zhì)有一些細(xì)微差別：鎢在自然界中主要以氧化物形式存在，而鉬在自然界中主要以硫化物形式存在，表明鎢親氧而鉬親硫，這也為鎢鉬冶煉過程中的鎢鉬分離提供了基礎(chǔ)。鉬酸在酸性條件下微溶，但可溶于強(qiáng)酸，而鎢酸在強(qiáng)酸條件下也難以溶解。

2．鎢鉬冶煉過程工藝比較

由于鎢鉬化學(xué)性質(zhì)相近，也有一些區(qū)別，冶煉工藝有很多相同之處，也有很大的不同。在濕法冶煉過程中，含鎢和鉬的原料都可以采用堿性浸出、凈化除雜（經(jīng)典化學(xué)法、溶劑萃取和離子交換法）工序得到仲鎢（鉬）酸銨，仲鎢（鉬）酸銨經(jīng)分解后得到的三氧化鎢（鉬），再經(jīng)氫還原得到金屬鎢（鉬）。由于鎢和鉬在自然界中存在形態(tài)的差異，其選礦和冶煉過程又有很大不同。鎢主要以氧化物形式如黑鎢礦（（Fe，Mn）WO4）和白鎢礦（CaWO4）存在，其選別過程主要為重選，浸出過程主要為黑鎢礦或白鎢礦與堿（蘇打和苛性鈉）或酸的分解反應(yīng)；鉬主要以硫化物形式如輝鉬礦（MoS2）存在，可以采用浮選方法，而且選別效果一般比鎢礦要好。由于鉬酸在強(qiáng)酸性條件下可溶，其浸出工藝通常可采用酸浸出和堿浸出，但其浸出過程通常需要有氧化劑存在（硝酸浸出和堿性條件下高壓氧分解）以氧化輝鉬礦中的硫。同時(shí)，由于選別效果較好，得到的輝鉬礦中MoS2含量較高，鉬的冶煉過程通常采用氧化焙燒方式將MoS2氧化為MoO3，直接揮發(fā)或再經(jīng)后續(xù)濕法處理得到純鉬的氧化物。

（二）鈦鋯鉿對(duì)比教學(xué)

鈦、鋯、鉿都屬元素周期表第IV副族元素，也屬稀有高熔點(diǎn)金屬，冶煉過程主要特點(diǎn)是氯化冶金。由于與氧的親和能力較強(qiáng)，鈦、鋯、鉿在自然界中基本都是以氧化物形式存在（TiO2，ZrO2，HfO2，F(xiàn)eTiO3，ZrSiO4，HfSiO4），且它們的金屬都可以在表面形成致密氧化物薄膜，使其在氧化性酸和氧化氣氛中具有很強(qiáng)的耐腐蝕性能。由于與氧的結(jié)合能力較強(qiáng)，生產(chǎn)金屬鈦、鋯、鉿較少采用以氧化物直接還原的方法，而是采用其氯化物或氟化物為原料。制備海綿鈦、鋯、鉿的原則流程一般為制備富集鈦、鋯、鉿的氧化物-加碳氯化-精制分離雜質(zhì)-金屬熱還原-海綿鈦、鋯、鉿。制備鈦氧化物（高鈦渣或富鈦料）的方法有還原熔煉、選擇氯化、還原銹蝕和酸浸法。鋯和鉿經(jīng)常伴生，鋯英石是制備鋯、鉿產(chǎn)品的主要原料，其分解方法有苛性鈉、蘇打、石灰或碳酸鈣燒結(jié)，燒結(jié)產(chǎn)物水解法制備氧化鋯（鉿）。也可與硅氟酸鉀融合得到氟鋯（鉿）酸鉀，氟鋯（鉿）酸鉀直接還原制備金屬鋯、鉿，還可將鋯英石用炭還原制備碳化鋯（鉿）作為加碳氯化的原料，加碳氯化后得到的粗四氯化鈦、四氯化鋯、四氯化鉿，通常采用精餾方法得到純四氯化鈦（鋯、鉿），而純四氯化鈦（鋯、鉿）一般采用金屬鎂還原得到海綿鈦（鋯、鉿）。由于鋯、鉿經(jīng)常伴生，鋯英石中Hf/Zr達(dá)到22.5%，而原子能工業(yè)中使用的鋯，要求其中的Hf<0.01%。因此，在鋯（鉿）生產(chǎn)過程中，必須將鋯、鉿分離，其分離方法有溶劑萃取法、離子交換法以及火法精餾和蒸餾法。

（三）稀有金屬提取分離技術(shù)對(duì)比

稀有金屬提取分離過程中常用的技術(shù)手段有浸出沉淀、溶劑萃取和離子交換等，各種分離技術(shù)之間有一定的聯(lián)系和區(qū)別，每一種技術(shù)手段不斷發(fā)展，各種分離技術(shù)之間及同一種分離技術(shù)的發(fā)展，都可以采用對(duì)比法講解其聯(lián)系和區(qū)別。

1．溶劑萃取和離子交換

在稀有金屬特別是鎢、鉬分離、富集和轉(zhuǎn)型過程中，溶劑萃取和離子交換是最常用的技術(shù)手段。溶劑萃取和離子交換都是利用溶液中的離子與萃取劑或離子交換劑上功能基團(tuán)親和能力的差異，功能基團(tuán)優(yōu)先萃取或吸附與之親和力大的離子，從而實(shí)現(xiàn)溶液中各離子的分離和富集。溶劑萃取和離子交換劑，可以按功能基團(tuán)可交換離子種類進(jìn)行大致分類，可交換陽離子的是酸性萃取劑和酸性陽離子交換樹脂，可交換陰離子的是堿性萃取劑和堿性陰離子陰離子交換樹脂。在鎢鉬冶金中常用的是堿性陰離子交換樹脂和堿性萃取劑。采用溶劑萃取和離子交換均可實(shí)現(xiàn)浸出液中鎢和鉬的分離、富集和轉(zhuǎn)型，但由于各自工藝過程特點(diǎn)和差異，溶劑萃取和離子交換各有優(yōu)缺點(diǎn)。離子交換的優(yōu)點(diǎn)：能直接處理從堿分解得到的堿性料液而無需調(diào)酸，轉(zhuǎn)型的同時(shí)除去P、As、Si等雜質(zhì)，除雜效果好，鎢回收率高，流程短；離子交換的缺點(diǎn)：交換速度慢，不適合處理濃溶液，需要對(duì)浸出液進(jìn)行稀釋。溶劑萃取的優(yōu)點(diǎn)：萃取速度快，平衡時(shí)間短，流程短，金屬回收率高；溶劑萃取的缺點(diǎn)：萃取劑易乳化和揮發(fā)損失，由于有機(jī)相易燃易爆，對(duì)設(shè)備和安全要求高，需要各項(xiàng)防火防爆等措施。因此，針對(duì)離子交換和溶劑萃取各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可將其分別應(yīng)用于不同領(lǐng)域。

2．溶劑萃取技術(shù)進(jìn)步

在含鎢溶液凈化的溶劑萃取過程中，由于在酸性條件下（pH<6）鎢酸根可以聚合形成仲鎢酸根和偏鎢酸根，提高整個(gè)聚合陰離子中鎢原子數(shù)和陰離子價(jià)數(shù)的比值，可以提高萃取交換容量。因此，原來一直采用酸性條件下弱堿性萃取劑萃取分離鎢工藝。但是，由于在酸性條件下鎢和主要雜質(zhì)如磷、砷、硅等可形成雜多酸而同時(shí)被萃取，因而，在萃取之前需要預(yù)先采用化學(xué)法除雜。同時(shí)，為了保證鎢的浸出率，浸出液中通常含有大量的游離堿，在酸性條件下萃取必須消耗大量的無機(jī)酸以中和游離堿，使得溶劑萃取工藝流程變長(zhǎng)，成本增加。近年來，中南大學(xué)開發(fā)出了堿性萃鎢新工藝，即采用季銨鹽在強(qiáng)堿性條件下直接萃鎢。此工藝雖然降低了萃取劑的萃取容量，但能在轉(zhuǎn)型的同時(shí)有效除去磷、砷、硅等雜質(zhì)，并無需調(diào)酸和稀釋，具有流程短、堿耗低、水耗少及無大量含鈉廢水等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具工業(yè)應(yīng)用前景的工藝，在國(guó)內(nèi)得到了推廣[5]。

三、對(duì)比教學(xué)的課堂教學(xué)組織

對(duì)比教學(xué)的成功取決于教師和學(xué)生的共同努力，需要教學(xué)雙方積極參與和配合。要使學(xué)生深刻理解對(duì)比內(nèi)容的聯(lián)系和區(qū)別，除了要求教師在課前認(rèn)真?zhèn)湔n，熟練掌握對(duì)比內(nèi)容，還要求學(xué)生積極參與。針對(duì)上述對(duì)比教學(xué)內(nèi)容，采取了以下教學(xué)途徑，以保證對(duì)比教學(xué)的效果。一是課前預(yù)習(xí)。在對(duì)比教學(xué)內(nèi)容之前，要求學(xué)生對(duì)將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，并針對(duì)對(duì)比內(nèi)容布置一定的思考題，啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考。讓學(xué)生熟悉相關(guān)內(nèi)容，為后續(xù)課堂對(duì)比內(nèi)容的討論奠定基礎(chǔ)。二是課堂講解和討論。進(jìn)入對(duì)比課堂教學(xué)后，簡(jiǎn)要介紹相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，組織學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行討論，由教師總結(jié)相關(guān)內(nèi)容的區(qū)別和聯(lián)系。例如，鎢鉬冶金教學(xué)過程中，先由教師對(duì)鎢鉬的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，然后組織學(xué)生對(duì)鎢鉬化學(xué)性質(zhì)的相似和區(qū)別進(jìn)行討論，并對(duì)討論結(jié)果進(jìn)行記錄。討論結(jié)束后，由學(xué)生整理鎢鉬物理化學(xué)性質(zhì)的異同，教師進(jìn)行補(bǔ)充和總結(jié)。由于最終的結(jié)論是討論的結(jié)果，學(xué)生對(duì)鎢鉬性質(zhì)的區(qū)別和聯(lián)系印象比較深刻。

在后續(xù)鎢鉬冶煉工藝的授課過程中，由于學(xué)生掌握了鎢鉬性質(zhì)的差異，可將鎢鉬的冶煉工藝一起講解，以鎢為主，以鉬為輔。通過對(duì)比和討論，加深學(xué)生對(duì)鎢鉬冶煉工藝的印象和理解，以及冶煉工藝的聯(lián)系和區(qū)別，以相對(duì)較少的課時(shí)達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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作者:向小艷 尹建國(guó) 楊文強(qiáng) 夏文堂 袁曉麗 單位:重慶科技學(xué)院