胡 洋 何東升 張 琦 張可成 朱志偉

（1.武漢工程大學(xué)興發(fā)礦業(yè)學(xué)院，湖北武漢430074；2.湖北堯治河化工股份有限公司，湖北襄陽(yáng)441614）

釩是一種重要的戰(zhàn)略金屬，主要賦存于石煤、釩鈦磁鐵礦、鋁土礦、原油及瀝青中，具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于電池、鋼鐵、催化劑、電子、陶瓷、玻璃等領(lǐng)域。我國(guó)釩礦資源豐富，釩總儲(chǔ)量約為1.35億t，其中石煤釩儲(chǔ)量約為1.18億t，占釩總儲(chǔ)量的87%，遠(yuǎn)超世界上其他國(guó)家釩儲(chǔ)量的總和［1-3］。

作為我國(guó)特有的含釩資源，石煤通常采用酸浸工藝進(jìn)行提釩，但該工藝提釩存在釩浸出率偏低的問(wèn)題。相關(guān)技術(shù)人員通過(guò)焙燒［4-5］、添加助浸劑［6-10］、微波［11-13］、加壓［14-16］、超聲［17-18］、微生物［19-20］等諸多手段強(qiáng)化浸出過(guò)程，取得了一定的效果。

近年來(lái)，電場(chǎng)強(qiáng)化礦石浸出效果受到關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)對(duì)尾礦浸出體系中溶質(zhì)的遷移過(guò)程有明顯的積極影響，在電場(chǎng)作用下浸出體系被溶質(zhì)穿透的速率加快［21］。李艷［22］、阿依努爾·努爾艾合買(mǎi)提［23］通過(guò)電場(chǎng)作用強(qiáng)化釩渣浸出過(guò)程，取得了較明顯的效果。本研究以陜西某地石煤釩礦為對(duì)象，硫酸為酸浸劑，探究適宜的浸出工藝參數(shù)；在適宜工藝條件下，開(kāi)展電場(chǎng)強(qiáng)化浸出研究，并分析強(qiáng)化機(jī)理。

1 試樣性質(zhì)、試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試樣性質(zhì)

試驗(yàn)礦樣取自陜西某縣，其化學(xué)多元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，試樣中主要有用成分V2O5含量為1.94%，主要成分為SiO2，其次為Al2O3和Fe2O3等。

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

圖1為電場(chǎng)強(qiáng)化浸出裝置。采用500 mL燒杯作為浸出容器，2 cm×2 cm石墨電極作為陰極，2 cm×2 cm鈦鉭電極作為陽(yáng)極，極板間距20 cm，在燒杯底部添加一個(gè)小型磁力攪拌子輔助攪拌，轉(zhuǎn)速為600 r/min。

試驗(yàn)時(shí)，先稱取一定質(zhì)量礦粉、量取一定濃度的硫酸溶液倒入燒杯中，制成礦漿；隨后，將裝有礦漿溶液的燒杯置于恒溫水浴鍋，控制浸出溫度；施加不同強(qiáng)度的電場(chǎng)，進(jìn)行攪拌浸出；浸出一定時(shí)間后，停止攪拌，取出燒杯，迅速抽濾，浸出渣烘干稱重，浸出液量體積，化驗(yàn)釩含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 常規(guī)浸出條件試驗(yàn)

2.1.1 硫酸濃度對(duì)釩浸出率的影響

控制浸出溫度為90℃，浸出時(shí)間4 h，液固比5∶1，考察硫酸濃度對(duì)釩浸出率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，隨著硫酸濃度的增加，釩浸出率先升高后降低；當(dāng)硫酸濃度為20%時(shí)，釩浸出率最高，為62.16%。這可能是因?yàn)榱蛩釢舛冗^(guò)高時(shí)，溶出更多雜質(zhì)離子，浸出液黏度變大，降低了釩在溶液中擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)而影響浸出率；另一方面，雜質(zhì)離子會(huì)與溶液中釩發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)不溶物，導(dǎo)致浸出率降低。因此，后續(xù)試驗(yàn)選擇硫酸濃度為20%。

2.1.2 浸出溫度對(duì)釩浸出率的影響

控制硫酸濃度為20%，浸出時(shí)間4 h，液固比5∶1，考察浸出溫度對(duì)釩浸出率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，提高浸出溫度，釩浸出率顯著升高；浸出溫度為50℃時(shí)，釩浸出率僅23.77%；浸出溫度為90℃時(shí)，釩浸出率達(dá)到61.24%。這是因?yàn)闇囟忍岣?，擴(kuò)散速率提高，反應(yīng)速度加快，單位時(shí)間內(nèi)浸出率提高。綜合考慮浸出率和生產(chǎn)成本，后續(xù)試驗(yàn)選擇浸出溫度為90℃。

2.1.3 液固比對(duì)釩浸出率的影響

控制硫酸濃度為20%，浸出溫度90℃，浸出時(shí)間4 h，考察液固比對(duì)釩浸出率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，液固比從1∶1提高至9∶1時(shí)，釩浸出率先升高后降低；當(dāng)液固比為7∶1時(shí)，釩浸出率最高，為62.27%。因此，后續(xù)試驗(yàn)選擇液固比為7∶1。

2.2 石煤生料電場(chǎng)強(qiáng)化浸出試驗(yàn)

控制硫酸濃度為20%，浸出溫度90℃，浸出時(shí)間4 h，液固比7∶1，考察電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)釩浸出率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。對(duì)施加電場(chǎng)強(qiáng)度0～1 000 mA的浸出液進(jìn)行開(kāi)路電位、循環(huán)伏安曲線測(cè)試，結(jié)果分別見(jiàn)圖6、圖7。

由圖5可知，施加電場(chǎng)對(duì)釩浸出率有一定程度提高，在一定的電場(chǎng)范圍內(nèi)施加的電場(chǎng)強(qiáng)度越高，釩浸出率越高。未施加電場(chǎng)時(shí)，釩浸出率僅為62.50%；電場(chǎng)強(qiáng)度為1 000 mA時(shí)，釩浸出率提高至67.32%。

由圖6、圖7可知，施加不同強(qiáng)度電場(chǎng)后，浸出體系的開(kāi)路電位發(fā)生變化，施加電場(chǎng)強(qiáng)度越高，體系的開(kāi)路電位越低，說(shuō)明浸出體系的氧化還原電位發(fā)生降低。從循環(huán)伏安特性曲線還可以看出，浸出液中存在VO2+、VO2+，在電場(chǎng)的作用下分別被還原，出現(xiàn)2對(duì)氧化還原特征峰，施加的電場(chǎng)強(qiáng)度越高，其循環(huán)伏安峰電流強(qiáng)度也越高。

2.3 焙燒樣電場(chǎng)強(qiáng)化浸出試驗(yàn)

采用常規(guī)酸浸法，施加電場(chǎng)強(qiáng)化浸出，在一定程度上可以提高釩浸出率，但釩浸出率仍小于70%。為進(jìn)一步提高釩浸出率，采用高溫焙燒（焙燒溫度600℃、焙燒時(shí)間3 h）對(duì)礦物結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，再施加電場(chǎng)進(jìn)行強(qiáng)化浸出試驗(yàn)。酸浸工藝的硫酸濃度20%、浸出溫度90℃、浸取時(shí)間4 h、液固比7∶1。電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)焙燒樣酸浸釩浸出率的影響見(jiàn)圖8。對(duì)施加電場(chǎng)強(qiáng)度0～1 000 mA的浸出液進(jìn)行開(kāi)路電位、循環(huán)伏安曲線測(cè)試，結(jié)果分別見(jiàn)圖9和圖10。

由圖8可知，對(duì)于焙燒礦樣，未施加電場(chǎng)時(shí)，釩浸出率為68.96%；增大電場(chǎng)強(qiáng)度，釩浸出率逐漸升高；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1 000 mA時(shí)，釩浸出率達(dá)到71.31%，與未焙燒試樣相比，釩浸出率升高了3.99個(gè)百分點(diǎn)。觀察浸出液顏色發(fā)現(xiàn)，施加電場(chǎng)后浸出液顏色由淺綠色變?yōu)樗{(lán)色，說(shuō)明焙燒使釩被氧化為更高價(jià)態(tài)。

由圖9、圖10可知，施加電場(chǎng)后，浸出體系的開(kāi)路電位同樣發(fā)生了變化。電場(chǎng)強(qiáng)度越高，開(kāi)路電位越低，反映出浸出體系的氧化還原電位降低。從循環(huán)伏安特性曲線可以看出，浸出液中存在VO2+、VO2+不同價(jià)態(tài)的釩離子，浸出體系中VO2+在電場(chǎng)作用下被還原，出現(xiàn)2對(duì)不同的氧化還原特征峰。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)石煤原礦，在未施加電場(chǎng)時(shí)釩浸出率為62.50%；當(dāng)施加電場(chǎng)為1 000 mA時(shí)，釩浸出率提高至67.32%。電場(chǎng)有助于提高釩浸出率。

（2）針對(duì)石煤焙燒樣，在未施加電場(chǎng)時(shí)，浸出率為68.96%；當(dāng)施加電場(chǎng)強(qiáng)度為1 000 mA時(shí)，釩浸出率提高至71.31%。

（3）施加電場(chǎng)后，浸出液由淺綠色變?yōu)樗{(lán)色，釩被氧化為更高價(jià)態(tài)；浸出液中存在VO2+、VO2+不同價(jià)態(tài)的釩離子，浸出體系中VO2+在電場(chǎng)作用下被還原，出現(xiàn)2對(duì)不同的氧化還原特征峰。