邱士星,劉先松,周 丹,高華敏,王鵬鵬,賈道寧,胡 鋒

(安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院磁性材料安徽省工程技術(shù)研究中心,安徽合肥 230039)

環(huán)境·健康·安全

釩渣提取五氧化二釩的研究＊

邱士星,劉先松,周 丹,高華敏,王鵬鵬,賈道寧,胡 鋒

(安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院磁性材料安徽省工程技術(shù)研究中心,安徽合肥 230039)

研究了從玉鋼釩渣中提取五氧化二釩工藝。采用 X熒光光譜分析和化學(xué)滴定法,系統(tǒng)地研究了添加劑用量、焙燒溫度、沉釩溫度和 pH等因素對(duì)玉鋼釩渣中五氧化二釩回收率的影響,并制定了合理的提釩流程參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在最佳流程參數(shù)條件下 (添加劑與釩渣質(zhì)量比為 22∶100,焙燒溫度為 850℃保溫 2 h,沉釩時(shí)水浴溫度為 95℃,沉釩 pH為 2.2),五氧化二釩的回收率達(dá)到了 85.4%,且五氧化二釩的純度大于 99%。

五氧化二釩;釩渣;焙燒

釩是一種重要的金屬元素,具有許多可貴的理化特性和機(jī)械特性,能細(xì)化晶粒,提高鋼的硬度和耐磨性,在冶金和化工部門有著廣泛的用途[1-3]。中國(guó)生產(chǎn)五氧化二釩的原料主要有 3種:石煤、礬渣和廢釩催化劑。國(guó)外還有少數(shù)國(guó)家如美國(guó)、日本等從石油渣中提取釩[4]。國(guó)內(nèi)對(duì)石油渣提釩工藝也有一定的研究。筆者對(duì)從玉鋼釩渣中提取五氧化二釩進(jìn)行了深入的研究,通過優(yōu)化添加劑的組成及加入量,改變焙燒溫度和調(diào)節(jié) pH等影響因素,提高了五氧化二釩的回收率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

將釩渣與鈉鹽混合均勻在氧化氣氛中高溫焙燒,釩從礦物結(jié)構(gòu)中析出并氧化為五價(jià)釩的氧化物,和鈉鹽分解產(chǎn)生的氧化鈉結(jié)合生成可溶性的釩酸鈉[5-7]。對(duì)玉鋼釩渣進(jìn)行了 X熒光光譜分析及 X射線衍射分析,其化學(xué)組成如表 1所示。

表1 釩渣化學(xué)組成分析結(jié)果 %

首先用粉碎機(jī)將塊體釩渣粉碎,取 100 g釩渣,將其與一定量的添加劑 (Na2CO3,NaCl)混合均勻后,放入坩堝中并壓緊,然后在馬弗爐中于一定溫度下焙燒,保溫 2 h。焙燒后,直接取出爐外降至室溫,再將焙燒料粉碎后水浸,加入 2 g氯化鈣,放入85℃水浴箱中水浴 1 h。水浴后,經(jīng)過濾分離殘?jiān)?取釩液。往釩液中滴入鹽酸,調(diào)節(jié) pH到一定值。再將12 g氯化銨溶解在 100 mL水中,將氯化銨溶液倒入釩液中,攪拌均勻,然后放入水浴箱中于一定溫度下沉淀。最后過濾并用蒸餾水清洗沉淀數(shù)遍,將沉淀烘干后放入馬弗爐中 550℃煅燒,保溫 2 h,自然降溫后取出研磨,得 V2O5樣品,采用化學(xué)滴定法和熒光光譜分析對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果和討論

2.1 添加劑對(duì) V2O5回收率的影響

固定條件:焙燒溫度為 800℃;滴入鹽酸,調(diào)節(jié)pH為 2.0;沉淀時(shí),水浴箱中溫度為 90℃。添加碳酸鈉質(zhì)量分別為 15,18,20,22,24,26,28,30 g。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 1所示。由圖 1可以看出,隨著添加碳酸鈉的增多,V2O5回收率逐漸增大。當(dāng)添加 22 g碳酸鈉時(shí),V2O5回收率有較大幅度的提高,達(dá)到了76.7%;繼續(xù)增加碳酸鈉的質(zhì)量,V2O5回收率也有略微的增加,但是增加幅度很小。當(dāng)添加碳酸鈉質(zhì)量為 30 g時(shí),V2O5回收率達(dá)到了 80.4%,比添加22 g碳酸鈉時(shí)增加了 3.7%,但是碳酸鈉用量增加了36%?？紤]到生產(chǎn)成本,添加碳酸鈉質(zhì)量為22 g較為適宜。

固定條件:焙燒溫度為 800℃;滴入鹽酸,調(diào)節(jié)pH為 2.0;沉淀時(shí),水浴箱中溫度為 90℃。碳酸鈉和氯化鈉按照一定比例組成添加劑,添加劑中的鈉離子數(shù)與 22 g碳酸鈉中鈉離子數(shù)相同。氯化鈉中的鈉離子數(shù),在添加劑鈉離子數(shù)中所占比例分別為0,10%,20%,30%,40%,50%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 2所示。由圖2可見,隨著氯化鈉中鈉離子數(shù)比例增大,V2O5回收率逐漸增大,當(dāng)氯化鈉中鈉離子數(shù)占添加劑鈉離子數(shù)的 20%時(shí) (17.6 g碳酸鈉 +4.8 g氯化鈉),V2O5回收率最高,為 78.3%。繼續(xù)增加氯化鈉的含量,V2O5回收率明顯下降,且下降速度較快。

圖1 Na2CO3對(duì)V2O5回收率的影響

圖 2 NaCl對(duì) V2O5回收率的影響

2.2 焙燒溫度對(duì) V2O5回收率的影響

固定條件:第一組添加劑為 22 g碳酸鈉,第二組添加劑為 17.6 g碳酸鈉 +4.8 g氯化鈉;滴入鹽酸,調(diào)節(jié) pH為 2.0;沉淀時(shí),水浴箱中溫度為 90℃。焙燒溫度分別為 700,750,800,850,900℃,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 3所示。由圖 3可以看出,當(dāng)焙燒溫度較低時(shí),隨焙燒溫度的增加,兩組 V2O5回收率都有大幅度的提高。焙燒溫度為 800℃時(shí),第一組 V2O5回收率達(dá)到最高 (76.7%),略低于第二組的 78.3%。當(dāng)焙燒溫度較高時(shí),第一組 V2O5回收率快速減小;第二組在 850℃時(shí),V2O5回收率仍有小幅的增加,達(dá)到了 82.2%,當(dāng)焙燒溫度繼續(xù)升高時(shí),V2O5回收率則更快速地減小。因此,第一組焙燒溫度最佳選擇在 800℃,第二組最佳選擇在 850℃。

圖3 焙燒溫度對(duì) V2O5回收率的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,焙燒溫度較高時(shí),釩的回收率開始降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能有兩方面,一方面是隨著溫度的升高,釩渣中存在二次反應(yīng),生成的可溶性釩酸鹽可部分地與釩渣中的鐵、鈣等元素生成釩酸鐵、釩酸鈣鈉和釩酸鈣等難溶性化合物。另一方面可能是隨著溫度的升高,組分之間的反應(yīng)更加劇烈復(fù)雜,尤其是二氧化硅參加反應(yīng),導(dǎo)致進(jìn)入復(fù)雜硅酸鹽的釩量增加,這些釩既不溶于水,也不溶于酸,產(chǎn)生釩被“裹絡(luò)”的現(xiàn)象,從而降低了釩的轉(zhuǎn)化率[8]。

2.3 pH對(duì) V2O5回收率的影響

pH分別取 1.6,1.8,2.0,2.2,2.4,2.6,2.8。固定條件:添加劑為 17.6 g碳酸鈉 +4.8 g氯化鈉;焙燒溫度為 850℃;沉淀時(shí),水浴箱中溫度為 90℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 4所示。由圖 4可以看出,隨著 pH的增大,V2O5回收率逐漸增大,當(dāng) pH為 2.2時(shí),回收率達(dá)到最高,為 84.3%。pH繼續(xù)增大時(shí),V2O5回收率則逐漸減小。因此,沉釩時(shí),pH為 2.2最為適宜。

圖4 pH對(duì) V2O5回收率的影響

2.4 沉淀時(shí)水浴溫度對(duì) V2O5回收率的影響

固定條件:添加劑為 17.6 g碳酸鈉 +4.8 g氯化鈉;焙燒溫度為 850℃;滴入鹽酸,調(diào)節(jié) pH為2.2。沉淀時(shí)水浴溫度分別為 70,75,80,85,90,95℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5所示。由圖 5可以看出,水浴溫度低于 85℃時(shí),V2O5的回收率較低。隨溫度的升高,V2O5的回收率逐漸增大,在 85℃以上時(shí),V2O5的回收率均在 80%以上,在 95℃時(shí)最佳,回收率達(dá)到了 85.4%。因此,沉淀時(shí)水浴溫度不能低于85℃,最佳溫度在 95℃。

圖5 沉淀水浴溫度對(duì) V2O5回收率的影響

2.5 樣品的分析

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 7325.1—1987高錳酸鉀氧化 -硫酸亞鐵銨滴定法測(cè)定五氧化二釩量,測(cè)定結(jié)果顯示樣品純度均在 99%以上。并對(duì)五氧化二釩樣品進(jìn)行了 X熒光光譜分析及 X射線衍射分析,其化學(xué)組成如表 2所示。圖 6為釩渣的 X射線衍射譜圖。

表2 V2O5樣品化學(xué)組成分析結(jié)果 %

圖6 五氧化二釩樣品的 XRD譜圖

3 結(jié)論

對(duì)從玉鋼釩渣提取五氧化二釩的條件進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)其最佳工藝參數(shù)為:添加劑與釩渣質(zhì)量比為 22∶100,添加劑由 17.6 g碳酸鈉 +4.8 g氯化鈉組成;焙燒溫度為 850℃,保溫2 h;沉淀時(shí),pH為 2.2,水浴溫度為 95℃;將沉淀烘干后放入馬弗爐中 550℃煅燒,保溫 2 h。在該條件下,V2O5回收率達(dá)到了 85.4%,五氧化二釩品位大于99%。

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[2] 程亮.五氧化二釩生產(chǎn)工藝的進(jìn)展 [J].甘肅冶金,2007,29(4):52-53.

[3] 喻旗,龍明禮.含釩石煤生產(chǎn)五氧化二釩污染治理[J].環(huán)境工程,2007,25(6):96-97,39.

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Study on extracting vanadium pentoxide in vanadium slag

Qiu Shixing,Liu Xiansong,Zhou Dan,Gao Huamin,Wang Pengpeng,Jia Daoning,Hu Feng
(Anhui Province Engineering Technology Research Center ofM agneticM aterials,School of Physics&M aterials Science,Anhui University,Hefei230039,China)

Process of vanadium pentoxide(V2O5)extraction from vanadium slag of YuSteel Co.,Ltd.was studied.Effects of additive dosage,roasting temperature,vanadium precipitation temperature,and pH etc.on recovery of V2O5were systematically studied by X fluorescence spectrometry and chemical titration method and parameters of a reasonable vanadium extraction processwere constituted.Through exper iments itwas found that the recovery rate of V2O5was up to 85.4%and the purity of vanadium pentoxide wasmore than 99%under the optimum conditions(namely,mass ratio of additive to vanadium slag of 22∶100,roasting temperature for 2 h of 850℃,and water-bath temperature of 95℃and pH of 2.2 in precipitation).

vanadium pentoxide;vanadium slag;roasting

TQ135.11

A

1006-4990(2010)04-0046-03

國(guó)家自然基金(50672001);磁性材料安徽省工程技術(shù)研究中心開放基金(皖科計(jì)字[2007]035)。

2009-10-27

邱士星 (1984— ),男,在讀碩士,從事五氧化二釩和磁性材料的研究。

聯(lián) 系 人:劉先松

聯(lián)系方式:xiansongliu@yahoo.com.cn