用P204从某含钒浸出液中萃取钒试验研究

2020-08-21郭双华葛荣庭

湿法冶金 2020年4期

郭双华，洪颖，姜晔，葛荣庭

(扬州工业职业技术学院，江苏扬州 225127)

钒生产过程中会产生大量废渣，如尾渣、钒铁渣等。这些废物长期堆放会对周围环境产生巨大危害，同时也造成资源浪费[1-2]。从含钒溶液中提取钒主要有直接沉淀法、离子交换—沉淀法、溶剂萃取—沉淀法等[3-6]。直接沉淀法工艺流程短、操作简单、生产成本低，但适用性差、产品纯度难以保证；离子交换法和溶剂萃取法是从溶液中提取钒研究较多的2种方法，可以同时富集和除杂。一般来说，溶剂萃取法更适宜从酸性溶液中回收过渡金属。常用萃取剂有P204和N235。P204属于酸性磷酸萃取剂，具有循环次数高、适用于高酸度溶液的优点[7-11]。为进一步提取钒、减少钒铁渣对环境的危害，在前期研究基础上[12]，研究了从铁矾渣浸出液中溶剂萃取钒。

1 试验部分

1.1 试验原料与试剂

含钒溶液为某钒铁渣钙化焙烧—多级硫酸浸出溶液[14]，主要成分见表1。

主要试剂：氯化钠，浓硫酸，氧化钙，碳酸氢铵，铁粉，P204，TBP，磺化煤油。

表1 含钒浸出液化学组成 g/L

1.2 试验设备

箱式电阻炉，造球机，电动搅拌机，鼓风干燥箱，真空过滤机，恒温振荡器。

2 试验方法

浸出液中Al、K等元素含量较高，溶液静置过程中不断有晶体析出，对萃取工序有影响；同时，浸出液中存在Fe3+，也不利于萃取进行：因此，需要对含钒浸出液进行预处理。

预处理主要包括中和、沉淀、还原过程。中和剂为碳酸氢铵，还原剂为铁粉。预处理在常温下进行，中和后溶液pH控制在1.70左右，结束后过滤，去除析出产物；中和处理液继续还原处理，加入铁粉并搅拌，控制还原后电位在-100 mV以上，过滤后溶液备用[13]。

中和、沉淀反应，

还原反应，

萃取：有机相为P204+TBP+磺化煤油。TBP为协萃剂，主要作用是减少萃取过程中第三相生成，利于有机相与水相分相。将有机相与含钒溶液按一定体积比混合，一定温度下振荡反应一段时间后静置分相，测定水相中V2O5质量浓度，计算钒萃取率[14-17]。

在酸性介质中，P204萃取钒为阳离子交换过程。四价钒在低pH条件下以VO2+形式存在，钒直接与氧原子成键，在与配体发生化学作用时整体参与反应。反应式为

式中，HA代表P204。

反萃取：负载有机相与一定浓度硫酸溶液按一定体积比混合，一定温度下振荡反应一定时间，反应结束后静置分相，测定水相中V2O5质量浓度，计算钒反萃取率。

反萃取时，硫酸溶液破坏负载有机相中钒与萃取剂形成的配合物，使钒重新以离子形式进入水相。

3 试验结果与讨论

3.1 浸出液预处理

中和：常温下搅拌中和1 h，中和剂碳酸氢铵质量浓度45 g/L，中和后析出的产物为硫酸铝铵，浸出液pH为0.60～0.70，中和后溶液pH为1.70～1.73。中和析出产物可用于制备工业硫酸铝铵。

还原：常温下搅拌还原10～20 min，通过控制溶液电位来控制还原反应。中和后溶液电位为-306 mV，加入铁粉，将电位还原至-100 mV以上。铁粉用量为0.5 g/L，还原后溶液pH为2.3左右。

含钒浸出液中的V2O5在中和及还原过程中，基本不损失。预处理后溶液(萃原液)化学组成见表2。

表2 预处理后溶液化学组成 g/L

3.2 从溶液中溶剂萃取钒

3.2.1 相比Vo/Va对V2O5萃取率的影响

试验条件：有机相为15%P204+10%TBP+75%磺化煤油，两相混合时间7 min，澄清时间10 min，萃原液pH=2.3。相比Vo/Va对V2O5萃取率的影响试验结果如图1所示。

图1 Vo/Va对V2O5萃取率的影响

由图1看出，Vo/Va越大，V2O5萃取率越高。但Vo/Va越高，需要投入的萃取剂越多，生产成本会相应增加。综合考虑，选择适宜相比Vo/Va=1/1。

3.2.2 P204体积分数对V2O5萃取率的影响

试验条件：Vo/Va=1/1，混合时间7 min，澄清时间10 min，萃原液pH=2.3。有机相中P204体积分数对V2O5萃取率的影响试验结果如图2所示。有机相中TBP体积分数为10%。

图2 有机相中P204体积分数对V2O5萃取率的影响

由图2看出：P204体积分数越高，对V2O5萃取越有利；P204体积分数超过15%后，V2O5萃取率提升幅度不大，萃取趋于稳定。P204体积分数过高会增大萃取其他金属的可能性，影响产品纯度，并且会增加生产成本，综合考虑，确定P204适宜体积分数为15%。

3.2.3 混合时间对V2O5萃取率的影响

试验条件：有机相为15%P204+10%TBP+75%煤油，Vo/Va=1/1，澄清时间10 min，萃原液pH=2.3。混合时间对V2O5萃取率的影响试验结果如图3所示。

图3 混合时间对V2O5萃取率的影响

由图3看出：随混合时间延长，钒萃取率升高；混合7 min后，钒萃取率继续升高，但变化不大。考虑到P204萃取Fe3+的速度比萃取V4+的速度慢，适当缩短两相接触时间，可抑制少量Fe3+的萃取，因此，确定混合时间以7 min为宜。

3.2.4 萃原液pH对V2O5萃取率的影响

试验条件：有机相15%P204+10%TBP+75%磺化煤油，Vo/Va=1/1，混合时间7 min，澄清时间10 min。萃原液pH对V2O5萃取率的影响试验结果如图4所示。

图4 萃原液pH对V2O5萃取率的影响

由图4看出，萃原液pH对V2O5的萃取影响较大：pH<2.3时，随pH升高，V2O5萃取率提高；pH>2.3后，V2O5萃取率有所降低。pH继续升高，水相中的杂质铁、铝会形成沉淀并吸附一定量钒离子，导致钒损失，同时还会影响萃取操作。综合考虑，萃原液pH以控制在2.3左右较为适宜。

3.2.5 逆流萃取

根据上述试验结果，确定逆流萃取条件为：有机相15%P204+10%TBP+75%磺化煤油，Vo/Va=1/1，混合时间7 min，澄清时间10 min，萃原液pH=2.3左右，5级逆流萃取。试验结果见表3。

表3 5级逆流萃取V2O5的试验结果

由表3看出,经过5级逆流萃取，V2O5萃取率大幅提升，由71%升至97%。随萃取级数增加，水相pH降低，对V2O5的萃取不利。实际生产过程中，通过调节各级水相pH控制萃取效果。

3.3 反萃取

用硫酸作反萃取剂，依据前期试验结果确定反萃取条件：硫酸浓度1.5 mol/L，Vo/Va=12/1，混合时间8 min，澄清时间10 min。在此条件下进行单级反萃取，V2O5反萃取率稳定在75%以上。在单级反萃取试验基础上进行5级逆流反萃取，试验结果见表4。可以看出：经过5级逆流反萃取，V2O5反萃取率大幅提升，由45.62%升至99.19%。