论文标题：

用于4N碲中试生产的集成熔炼–真空蒸馏–湿法冶金回收工艺（Integrated smelting–vacuum distillation–hydrometallurgical recovery for pilot-scale production of 4 N tellurium）

Sustainable Materials and Technologies（SCI收录，IF=9.7）

发表时间：

2026年7月

崔璇 孟朝松 田庆华 许志鹏*（中南大学资源循环研究院）

DOI：10.1016/j.susmat.2026.e02164

zhipeng.xu@csu.edu.cn

标准引用格式：

Xuan Cui, Chaosong Meng, Qinghua Tian, Zhipeng Xu. Integrated smelting–vacuum distillation–hydrometallurgical recovery for pilot-scale production of 4N tellurium [J], Sustainable Materials and Technologies, 2026, 49: e02164. DOI: 10.1016/j.susmat.2026.e02164.

碲拥有独特的各向异性螺旋链状晶体结构，赋予其优异的偏振光电响应、高空穴迁移率及本征p型导电特性，因而在场效应晶体管、热电转换、红外探测及电子/光电器件等前沿领域备受青睐。然而，碲的地壳丰度极低，几乎不形成独立工业矿床。全球约90%的碲产出自铜阳极泥处理过程，其余少量来自硫酸厂泥浆以及铅、镍阳极泥。二次资源中伴生杂质组分复杂，致使火法冶金—湿法冶金联合流程提取的粗碲纯度普遍停留在2N级，远不能满足高端应用需求。单一工艺路线已难以兼顾提纯效率、产品纯度与环境成本。在此背景下，构建以真空蒸馏为核心的多工艺耦合路线，正成为高纯碲清洁制造的关键路径。

（1）开发了熔炼预提纯-真空蒸馏-湿法冶金回收制备4N高纯碲的集成工艺路线。

（2）熔炼铸锭预处理对粗碲中As、S、Fe、Cu等杂质的脱除率均>93%，实现高效预除杂。

（3）20kg级半工业化真空蒸馏试验可稳定产出4N高纯碲，直收率>85%。

（4）与电解精炼相比，该集成工艺的毒性及水足迹相关环境负荷降低48%–72%。

（1）硼砂熔铸预精炼的除杂行为

以硼砂为造渣剂，在650℃下进行熔铸预处理，粗碲纯度由98.87%提升至99.81%，As、S、Fe、Cu的脱除率分别达97.57%、98.55%、96.10%和93.55%。除杂过程由两类机制协同驱动：其一为挥发性差异主导的优先气化，As⁰、As₂O₃及SO₂优先逸出；其二为氧化—造渣反应的化学捕获，Fe、Cu与氧的亲和力高于Te，其氧化物被熔融硼砂捕获进入渣相，Si则氧化为SiO₂并与碱性渣结合生成硅酸盐。钠盐渣与熔融碲互不溶解，可通过扒渣实现分离。Se脱除率仅为6.01%。Se-Te二元体系在液、固态均无限互溶，凝固时发生共结晶，Se原子被束缚于Te晶格中而非以易挥发团簇形式存在，挥发过程受到抑制；升温虽可增强热力学驱动力，却会导致Te大量损失，且Se体相扩散动力学缓慢。因此，Se的深度脱除须交由后续真空蒸馏工序完成。此外，熔铸作为高温重结晶过程，可促使晶粒显著长大，减少晶界总面积，从而降低杂质在晶界的偏聚程度。EPMA分析显示，凝固末端存在明显偏析，故切除铸锭顶部与边缘、仅取均匀中段送入真空蒸馏，可进一步提升整体提纯效率。

图1

（2）真空蒸馏的温度窗口与空间分异机制

基于饱和蒸气压计算，可将杂质划分为两组：S、As、Na、Se、Mg的蒸气压高于Te，优先气化挥发；Pb、Bi、Al、Cu、Fe、Si则低于Te，挥发滞后。然而，在400–650℃区间内Se与Te的蒸气压未拉开数量级差距，单一蒸馏难以实现硒碲有效分离。通过20 kg级放大试验（10^-3–10^-1 Pa，保温4 h），确立了明确的温度窗口：550℃时受放大后传热限制，Te收得率仅为66.14%，表明实验室最优参数无法直接迁移至半工业化规模；600℃时热力学驱动力足以克服界面传质阻力，收得率跃升至90.19%，且杂质共挥发仍处于可控范围；650℃时收率无明显增益，反而引发Cu、Fe共挥发及物理夹带，并在高温冷凝区富集。冷凝轴上杂质的空间分布揭示了选择性分离的依据：Se、As倾向于在冷端（低温区）富集沉积，而被夹带的Cu、Fe则因高熔点滞留于高温区。因此，分段截取冷凝产物成为兼顾纯度与收率的关键策略。Na在蒸馏过程中几乎不发生迁移，因其在熔铸阶段已转化为Na₂O、Na₂SiO₃等高熔点、高沸点的离子化合物，这从侧面印证了前置熔铸工序对后续蒸馏的减负作用。最优工艺参数为：600℃、保温4 h、真空度10^-3–10^-1 Pa，配合截去首尾冷凝段（NO.1与NO.9），成品率>85%，产品纯度满足YS/T 222-2010标准的4N级要求。

图2

（3）富碲渣的物相特征与湿法闭路回收

熔铸渣中Te含量高达77.54 wt%，主体物相为TeO₂；蒸馏残渣表层则主要由TeO₂和金属间化合物Cu_3.18Te₂组成。该化合物的形成源于Cu与Te之间的强热力学亲和力，能将难挥发杂质定向截留于残渣中，这为共生杂质的高效分离提供了新思路。上述两类渣料均属于高品位含碲二次资源，具备显著的回收价值。针对此类渣料，采用Na₂S络合浸出—Na₂SO₃定向还原工艺进行回收：S^2-与富碲相反应生成可溶性Na₂TeS₃，随后被Na₂SO₃还原并沉淀为单质Te。维持强碱性环境可抑制SO₂和H₂S的逸散；通过调控电位与pH，可防止新生碲二次氧化返溶为TeO3^2-。Na₂S浸出的优化参数为：γ=1.4~1.6，80℃，液固比(L/S)=6，600 rpm，反应90 min。在此条件下浸出率达96.5%，浸出液中Te浓度达73.98 g/L。Na₂SO₃还原的优化参数为：β=1.3，70℃，反应120 min，还原率达97.8%，所得还原碲纯度为98.18%，可返回熔铸工序循环利用。

图3

4

（1）熔铸预精炼实现高效除杂与物相重构。以硼砂为造渣剂对粗碲粉实施熔融预处理，基于杂质元素与氧亲和力的差异及造渣反应，使As、S、Fe、Cu脱除率均>93%，粗碲纯度由98.87%提升至99.81%，显著降低后续真空蒸馏的提纯负荷。

（2）20kg级真空蒸馏确立优化工艺窗口。在600℃、保温4h、系统压力10^-3–10^-1 Pa条件下，结合分段截取策略，直收率>85%的同时有效抑制难挥发杂质的共蒸发与夹带，稳定产出符合YS/T 222-2010标准的4N碲产品。

（3）湿法冶金回收富碲渣。采用Na₂S浸出—Na₂SO₃还原体系，优化参数下碲浸出率达96.5%、还原率达97.8%；还原后液返回浸出段循环使用，还原碲（纯度98.18%）返回熔铸预精炼环节。

（4）较传统电解精炼，本工艺核心环保指标降低48%–72%，在原料适应性、产品纯度与全流程环境友好性之间实现了有效平衡。

本研究在20kg级装置上实现了从实验室研究到半工业化试验的跨越，为高纯碲的绿色产业化升级提供依据。未来研究可进一步聚焦于Te、As等痕量难分离杂质深度脱除、装置大型化过程中的传热强化，以及物料循环系统中杂质累积行为等方向。

田庆华，中南大学教授、博士生导师，“长江学者”特聘教授、国家重点研发计划首席科学家、国家优秀青年基金获得者。长期致力于高纯金属及半导体材料制备、复杂资源高效分离、二次资源循环利用等方面研究，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国际科技合作专项、湖南省重点研发计划及企业科技攻关项目26项。出版学术专著5部，发表SCI/EI论文100余篇，授权国家发明专利90项，获国家科技进步二等奖2项，省部级科技进步一等奖7项。

许志鹏，中南大学教授、博士生导师，湖南省芙蓉计划青年人才、湖南省优秀青年基金获得者。主要从事高纯金属制备、稀贵金属高效分离提取等方面研究，主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目及企业科技攻关项目等项目16项。出版学术专著1部，以第一/通讯作者在Chemical Engineering Journal、Separation and Purification Technology、Hydrometallurgy等权威期刊发表学术论文30余篇，授权国家发明专利56件；获省部级一等奖3项。

崔璇，中共党员，冶金与环境学院有色金属冶金专业2024级博士研究生，入选中国科协青年科技人才培育计划、湖南省芙蓉计划青年人才，曾获国家奖学金、省三好学生、湖南省芙蓉学子·学术创新奖、中南大学十佳大学生、研究生优秀学生标兵、创新创业先锋团队、力拓低碳创新奖、一等学业奖学金（3次）、滨海英才奖学金、校优秀学生干部、校优秀团干部。硕博期间，排名第一获“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛金奖、全国大学生冶金科技竞赛特等奖/一等奖、全国可再生能源作品设计大赛一等奖等国家竞赛奖励9项。以第一作者或导师第一本人第二发表JCR Q1论文9篇，授权/申请国家专利7项。

孟朝松，中共党员，冶金与环境学院有色金属冶金专业2024级博士研究生，研究方向为稀散金属高纯化制备及复杂有色金属资源综合利用。获得中南大学优秀研究生、资源循环研究院优秀博士、校长创新奖学金、一等学业奖学金等荣誉与奖励。排名第一获全国大学生冶金科技竞赛特等奖/一等奖、中国青年碳中和创新大赛全国银奖等竞赛奖励3项。以第一作者或导师第一本人第二作者发表JCR Q1论文4篇、JCR Q2论文1篇，授权/申请国家专利2项。

（一审：崔璇； 二审：孟朝松； 三审：许志鹏）