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从含钒钢渣中提取V_2O_5的新工艺与机理研究

叶国华  
【摘要】:本研究为教育部高等学校博士学科点专项科研基金“从高钙含钒钢渣中清洁提钒的试验与机理研究”项目(批准号:200806740008)资助课题,旨在解决含钒钢渣目前仍难以高效提钒的技术难题,同时对提钒过程机理进行分析,为含钒钢渣的综合利用提供有力的理论依据。 含钒钢渣产生于钒钛磁铁矿的炼钢过程,是重要的、很有利用价值的冶金二次资源,可作为提取V205的重要原料,但由于其钙、铁含量高,钒含量低,钒赋存状态复杂、弥散分布于多种矿物相中,使得其中的钒难以高效提取利用。现有提钒工艺虽多,但很难适应含钒钢渣的资源特性,且存在成本高、污染重、回收率低等诸多问题;而一些新兴技术如选择性析出、微生物浸出、矿浆电解等,虽然对含钒钢渣提钒效果较好,但工艺尚不成熟,实际生产中仍需采用传统钠化焙烧工艺。为此,针对含钒钢渣的特点,本论文开发了一种含钒钢渣选冶联合提钒的新工艺。该工艺主要包括选矿预处理过程、选择性分段浸出过程、酸浸液的净化与富集过程,并对每一过程进行了系统深入的研究。 论文首先进行了含钒钢渣的工艺矿物学研究,查明了钢渣中钒、铁、钙等主要成分的赋存状态、嵌布粒度、相关性、分布特点,同时探讨了工艺矿物学特征对钒提取的影响规律,为选矿预处理及后续湿法提钒提供科学基础。 在工艺矿物学研究的基础上,课题首次提出了选矿预处理新技术,分析了预处理后钢渣的成分组成,并研究了选矿预处理对后续浸出的影响规律。通过弱磁选预处理,尽管除铁率不高,但可在一定程度上减少铁在浸出液中的累积,降低酸浸液中铁与钒分离的难度,而且弱磁选精矿中铁品位达72.87%,有利于资源的综合利用。重选预处理可抛除部分耗酸杂质,避免这些杂质对浸出的危害,更有利于后续浸出和节省酸耗。相对于原料直接酸浸,选矿预处理后再酸浸,浸出率提升了11%;同时,预处理后钒有所富集,为后续湿法提钒创造了有利条件。 钢渣中的钒大部分以+4价的酸溶钒形式存在,基于此,课题采用选矿预处理后不焙烧直接酸浸的技术提钒。关于钒浸出,目前仍以焙烧后水浸或酸浸的研究居多,而对不经焙烧直接酸浸提钒的研究较少,也未有实质性进展。为此,课题着重对不焙烧直接酸浸提钒工艺进行研究,以期在前人的研究基础上能有所突破。 计算了含钒钢渣硫酸浸出体系中可能发生的化学反应,绘制了V-H20系的Eh-pH图。热力学研究表明,钢渣中主要矿物的浸出反应是很容易进行的,并且浸出比较完全。CaO、FeO、Al2O3和MgO的酸溶反应的ΔGrθ很小,平衡常数很大,说明它们容易与硫酸发生化学反应。由于这些组分含量很大,势必造成大量的硫酸与之发生反应而被消耗,只有少量硫酸与钒化合物反应。 在理论分析的基础上,系统考查了酸耗、搅拌强度、反应温度、反应时间等因素对浸出的影响,确定了浸出时的最佳工艺参数。并综合运用热力学、动力学、结构化学等的原理及X-射线衍射仪、光学显微镜和扫描电镜等现代测试手段,对浸出反应宏观动力学、相关元素浸出行为、含钒矿物物相变化进行了探讨,建立了钢渣浸出提钒的理论基础。 在这些基础上,提出了钢渣“选择性分段浸出”新方法。Ⅰ段预浸除杂、Ⅱ段浸出钒,.分别得到不含钒的杂质溶液“铁液”和杂质相对较少的“钒液”,很大程度上实现了钒与铁等杂质的选择性浸出分离。并对其进行了理论分析与研究,阐明了选择性浸出提钒的相关机理。 含钒酸浸液的净化与富集,是一项重要的研究课题。目前研究最多的是离子交换法和溶剂萃取法,一般来说萃取法更适用于从酸性溶液中回收钒。针对酸浸液含钒浓度低、杂质含量高的特点,课题对传统溶剂萃取法进行了改进和创新,即在溶剂萃取过程中,除了萃取和反萃取这两个工序外,新增加了一道负载有机相的洗涤工序,并研发出一种新型高效的洗涤剂活性Na2SO4溶液。 系统研究了萃取、洗涤、反萃的工艺条件,获得了最佳的工艺参数。在最佳条件下,钒的四级逆流萃取率达98.86%,洗涤损失率仅1.16%,单级反萃率高达99.27%;经萃取-洗涤-反萃后,不仅钒由3.5g·L-1富集到20.37g·L-1,而且大多数杂质被除去。反萃水相中Fe浓度为0.15g·L-1,钒、铁质量浓度比为135.8,很好地实,现了钒与铁的分离。 钢渣的反萃液在酸浸和萃取等工序中引入了较多的SO42-、CO32-、Na+,对这种反萃液能否采用铵盐沉钒来获得高质量的精钒产品,目前未见详细报道。为此,详细研究了各因素对酸性铵盐沉钒的影响规律、探讨其内在原因,并获得了高质量的精钒产品,质量达到国家标准;从酸浸液到精钒的回收率高达95.92%。 最后,针对提钒废水的特点,从环境及资源保护的角度,课题采用黄铁矾法处理萃余液与洗涤废液,结果表明:在pH1.2、反应温度93℃、沉淀时间3h下,废液的除铁率达97%,除铬率达96%。黄铁矾法沉淀物处理后可获得Fe203品位为72.01%的氧化铁红副产品。处理后的废水返回浸出使用,对浸出无不良影响,并可节省5%的酸耗。 本课题开发的提钒新工艺较传统工艺的指标大幅提高,通过选矿预处理、选择性分段浸出、萃取-洗涤-反萃等单一技术工艺的集成,新工艺钒总回收率高达80.02%,与传统工艺从含钒固废中提钒时总回收率不足70%相比,提钒指标大幅度提升;相对传统钠化焙烧工艺而言,新工艺取消了焙烧工序,既大幅度提高浸出指标,又节省了大量的设备投资、排放污染物少,具有广阔的发展潜力;而且新工艺使用的原料是含钒钢渣,而非转炉提钒生产的钒渣,属于废弃物的综合利用,对冶金二次资源的有效利用和钒资源的充分利用具有重要意义,这为提钒新工艺的发展前景奠定了基础。


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