堿法浸出石煤中的釩和硅

堿法浸出石煤中的釩和硅*

曾英元1，2，華駿1，2，顏文斌1，2，高峰1，2，蔡俊1，2

(1.吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000；2.湖南省2011計(jì)劃“錳鋅釩

產(chǎn)業(yè)技術(shù)”協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 吉首 416000)

摘要：在石煤提釩工藝中，為了充分利用石煤中的有價(jià)元素硅，采用堿浸提釩工藝提取石煤中的釩和硅.經(jīng)過預(yù)焙燒后，可以有效地破壞石煤結(jié)構(gòu)，提高釩硅浸出率.在焙燒溫度850 ℃、焙燒時(shí)間2 h、浸出溫度95 ℃、浸出時(shí)間4 h、固液比(g∶mL)1∶1.4、礦堿質(zhì)量比1.2∶1的條件下，釩的浸出率為86.6%，硅的浸出率為61.4%.

關(guān)鍵詞：堿法；預(yù)焙燒；石煤；釩；硅

文章編號：1007-2985(2015)06-0059-04

中圖分類號：TQ135.1;TQ127.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.06.014

收稿日期：*2015-07-17

基金項(xiàng)目：湖南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目(環(huán)境能源材料與武陵山區(qū)礦產(chǎn)資源精深加工)；吉首大學(xué)化學(xué)化工類專業(yè)校外實(shí)踐教育基地創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)開放項(xiàng)目資助(2014JDXM07)

通信作者：華駿(1986—)，男(瑤族)，湖南新寧人，吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院助教，碩士，主要從事礦產(chǎn)資源加工、無機(jī)材料等研究；E-mail:huajun615@163.com.

釩是一種重要的戰(zhàn)略物資，中國的釩礦資源儲量豐富，主要有2大類：釩鈦磁鐵礦和石煤.而湖南省石煤儲量位列全國之首，儲量為 187 億t，約占全國儲量的1/3.石煤中硅的含量較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)占70%左右.目前，提釩工藝主要有鈉法焙燒浸出、空白焙燒浸出、鈣法焙燒浸出、復(fù)合添加劑焙燒浸出和直接浸出工藝.鈉法焙燒浸出因其產(chǎn)生大量的有害氣體而被禁止采用[3-4]；一般認(rèn)為只有以無定形礦物結(jié)構(gòu)賦存于石煤中的釩，才可采用無鹽(空白)焙燒，才能在浸出過程中被浸出，而賦存于石煤釩礦晶體結(jié)構(gòu)中的釩，則需加添加劑進(jìn)行焙燒；鈣法焙燒浸出、復(fù)合添加劑焙燒浸出則對礦石的選擇性較強(qiáng)[5-6]；直接浸出多采用酸浸提釩[7-8]，直接堿浸雖然工藝簡單，但是對礦石的選擇性太強(qiáng)，釩的浸出率也較低.為了有效利用石煤中的釩和硅資源，可采用堿浸提釩.堿對石煤釩礦中釩的作用主要有2個(gè)方式：一是對以類質(zhì)同相形式存在的釩，用強(qiáng)堿破壞云母類礦物的晶體結(jié)構(gòu)，即在一定的溫度和堿性條件下，OH-與SiO2反應(yīng)形成硅酸根離子，將釩釋放出來；二是對以吸附狀態(tài)存在于黏土礦物中的釩，通過氫氧化鈉將其直接溶解.因直接堿浸時(shí)釩的浸出率較低，筆者擬對原礦先進(jìn)行預(yù)焙燒活化處理，來提高石煤中釩硅的浸出率.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

石煤采自辰溪縣，采用高錳酸鉀氧化-硫酸亞鐵銨滴定法[10]測定石煤中釩的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，測得1.58%.采用硅酸鹽巖石中二氧化硅量測定的方法[11]測定二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)，測得70.3%.利用等離子發(fā)射光譜儀測定石煤原料中的主要成分，其結(jié)果如表1所示.

表1　石煤主要成分分析結(jié)果　%

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

硫酸亞鐵銨(廣東臺山化工有限公司)，高錳酸鉀、苯代鄰氨基苯甲酸、尿素(廣州化學(xué)試劑廠)，濃磷酸(湖南匯虹試劑有限公司)，氫氧化鈉(湖南邵陽市萬華化工有限公司).以上均為分析純.

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電熱恒溫水浴鍋(LSY，北京醫(yī)療設(shè)備廠)，電子天平(FA2104型，上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司)，電熱干燥箱(FN202-24型，武漢市無線電元件廠)，循環(huán)水式多用真空泵(SHB-Ⅲ，鄭州長城科工貿(mào)有限公司)，等離子發(fā)射光譜儀(iCAP 6300，美國熱電公司).

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

以含釩石煤為原料，對原料進(jìn)行預(yù)焙燒處理，用堿性試劑浸出石煤釩礦，用單因素實(shí)驗(yàn)法考察各種工藝參數(shù)對釩和二氧化硅浸出率的影響，得出適宜的浸出條件.

2結(jié)果與討論

2.1 焙燒溫度對釩硅浸出率的影響

圖1　焙燒溫度對釩硅浸出率的影響

稱取20 g粒徑220目礦粉5份，對原礦進(jìn)行焙燒，在焙燒溫度分別為650，750，800，850，900，950 ℃，焙燒時(shí)間2 h，堿礦質(zhì)量比1∶1，浸出溫度90 ℃，固液比(g∶mL)1∶1，浸出時(shí)間4 h的條件下，考察焙燒溫度對釩硅浸出率的影響，結(jié)果見圖1.由圖1可以看出，高溫焙燒對石煤中釩的浸出率影響明顯，隨著焙燒溫度上升，釩硅的浸出率明顯得以提高.這說明在焙燒過程中，高溫能夠有效地破壞石煤中含釩化合物礦物結(jié)構(gòu).石煤在氧化焙燒過程中，有機(jī)質(zhì)可能首先被氧化，含釩晶體結(jié)構(gòu)則在800～850 ℃被破壞，V (Ⅲ)和V(Ⅳ)氧化完全，釩浸出率達(dá)到最大值；當(dāng)焙燒溫度高達(dá)950 ℃時(shí)，物料燒結(jié)，高溫?zé)Y(jié)形成的玻璃體包裹釩，導(dǎo)致硅的浸出率急劇降低[12].因此，實(shí)驗(yàn)采用850 ℃為焙燒溫度.

2.2 焙燒時(shí)間對釩硅浸出率的影響

圖2　焙燒時(shí)間對釩硅浸出率的影響

稱取20 g粒徑220目礦粉5份，在焙燒溫度850 ℃，焙燒時(shí)間分別為1，1.5，2，2.5，3 h，堿礦質(zhì)量比1∶1，浸出溫度90 ℃，固液比(g∶mL)1∶1，浸出時(shí)間4 h的條件下，考察焙燒時(shí)間對釩硅浸出率的影響，結(jié)果見圖2.由圖2可以看出，釩的浸出率隨著焙燒時(shí)間的增加而增加，焙燒2 h后浸出率趨于穩(wěn)定，硅的浸出率也在焙燒2 h后趨于穩(wěn)定.因此，實(shí)驗(yàn)選擇焙燒時(shí)間為2 h.

2.3 堿礦質(zhì)量比對釩硅浸出率的影響

稱取20 g粒徑220目礦粉5份，在焙燒溫度850 ℃，焙燒時(shí)間2 h，堿礦質(zhì)量比分別為0.9∶1，1∶1，1.2∶1，1.3∶1，1.4∶1，浸出溫度90 ℃，固液比(g∶mL)1∶1，浸出時(shí)間4 h的條件下，考察堿礦質(zhì)量比對釩硅浸出率的影響，結(jié)果見圖3.由圖3可以看出，硅釩的浸出率隨著堿礦比的增加而增加.堿量的增加可以充分地使其與礦樣中的釩硅結(jié)合，將晶體結(jié)構(gòu)中的硅釩轉(zhuǎn)化為可溶狀態(tài)，從而使釩硅浸出.在堿礦質(zhì)量比1.2∶1時(shí)釩硅浸出率都趨于穩(wěn)定，因此實(shí)驗(yàn)采用堿礦質(zhì)量比為1.2∶1.

2.4 固液比對釩硅浸出率的影響

稱取20 g粒徑220目礦粉7份，在焙燒溫度850 ℃，焙燒時(shí)間2 h，堿礦質(zhì)量比1.2∶1，浸出溫度90 ℃，固液比(g∶mL)分別為1∶1，1∶1.2，1∶1.4，1∶1.5，1∶1.6，1∶1.7，1∶1.8，浸出時(shí)間4 h的條件下，考察固液比對釩硅浸出率的影響，結(jié)果見圖4.由圖4可以看出，釩硅浸出率開始隨著固液比的增加而增加，然后隨著固液比的增加而減少，固液比的大小決定了礦粉與溶液的接觸程度及浸出劑的濃度，所以固液比大小要適宜，在固液比1∶1.4時(shí)，釩硅的浸出率達(dá)到最高.因此，實(shí)驗(yàn)選擇固液比1∶1.4.

圖3　礦堿質(zhì)量比對釩硅浸出率的影響

圖4　固液比對釩硅浸出率的影響

2.5 浸出溫度對釩硅浸出率的影響

稱取20 g粒徑220目礦粉5份，在焙燒溫度850 ℃，焙燒時(shí)間2 h，堿礦質(zhì)量比1.2∶1，浸出溫度分別為65，75，85，90，95 ℃，固液比(g∶mL)1∶1.4，浸出時(shí)間4 h的條件下，考察浸出溫度對釩硅浸出率的影響，結(jié)果見圖5.由圖5可知，浸出溫度越高，釩硅的浸出率越高.一般來說，溫度升高，溶液的粘度降低，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，有利于提高分子的擴(kuò)散，使固液相之間反應(yīng)充分進(jìn)行，浸出反應(yīng)更易進(jìn)行.因此，實(shí)驗(yàn)選擇浸出溫度95 ℃.

2.6 浸出時(shí)間對釩硅浸出率的影響

稱取20 g粒徑220目礦粉5份，在焙燒溫度850 ℃，焙燒時(shí)間2 h，堿礦質(zhì)量比1.2∶1，浸出溫度95 ℃，固液比(g∶mL) 1∶1.4，浸出時(shí)間分別為1，2，3，4，5，6 h的條件下，考察浸出時(shí)間對釩硅浸出率的影響，結(jié)果見圖6.由圖6可知，釩硅的浸出率隨著浸出時(shí)間的增加而增加，浸出時(shí)間達(dá)到4 h時(shí)浸出率趨于穩(wěn)定.因此，實(shí)驗(yàn)選擇浸出時(shí)間為4 h.此時(shí)，釩的浸出率86.6%，硅的浸出率61.4%.

圖5　浸出溫度對釩硅浸出率的影響

圖6　浸出時(shí)間對釩硅浸出率的影響

3結(jié)論

預(yù)焙燒活化處理可以有效地破壞石煤結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到提高釩硅浸出率的目的.在焙燒溫度850 ℃、焙燒時(shí)間2 h、堿礦質(zhì)量比1.2∶1、浸出溫度95 ℃、固液比(g∶mL)1∶1.4、浸出時(shí)間4 h的條件下，釩的浸出率為86.6%，硅的浸出率為61.4%.

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LeachingVanadiumandSiliconfromStoneCoalbyAlkalineProcess

ZENGYingyuan1，2,HUAJun1，2,YANWenbin1，2,GAOFeng1，2,CAIJun1，2

(1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,JishouUniversity,Jishou416000,HunanChina；

2.CollaborativeInnovationCenterofManganese-Zinc-VanadiumIndustrialTechnology

(the2011PlanofHunanProvince),Jishou416000,HunanChina)

Abstract:In order to make full use of valuable element silicon in stone coal,alkali leaching vanadium process was used in extracting vanadium and silicon from stone coal. Through pre-roasting,the stone coal structure can be destroyed and the leaching rate of vanadium and silicon can be improved.When the roast temperature was 850 ℃,the roast time was 2 h,the leaching temperature was 95 ℃,the leaching time was 4 h,the solid-liquid ratio was 1∶1.4,and the ratio of alkali and ore was 1.2∶1,the leaching rates of vanadium and silicon were 86.6% and 61.4% respectively.

Keywords:alkalineprocess;pre-roasting;stonecoal;vanadium;silicon

(責(zé)任編輯向陽潔)