电场强化石煤浸出提钒试验研究

胡 洋 何东升 张 琦 张可成 朱志伟

（1.武汉工程大学兴发矿业学院，湖北武汉430074；2.湖北尧治河化工股份有限公司，湖北襄阳441614）

钒是一种重要的战略金属，主要赋存于石煤、钒钛磁铁矿、铝土矿、原油及沥青中，具有优异的物理化学性能，广泛应用于电池、钢铁、催化剂、电子、陶瓷、玻璃等领域。我国钒矿资源丰富，钒总储量约为1.35亿t，其中石煤钒储量约为1.18亿t，占钒总储量的87%，远超世界上其他国家钒储量的总和［1-3］。

作为我国特有的含钒资源，石煤通常采用酸浸工艺进行提钒，但该工艺提钒存在钒浸出率偏低的问题。相关技术人员通过焙烧［4-5］、添加助浸剂［6-10］、微波［11-13］、加压［14-16］、超声［17-18］、微生物［19-20］等诸多手段强化浸出过程，取得了一定的效果。

近年来，电场强化矿石浸出效果受到关注，研究发现，电场对尾矿浸出体系中溶质的迁移过程有明显的积极影响，在电场作用下浸出体系被溶质穿透的速率加快［21］。李艳［22］、阿依努尔·努尔艾合买提［23］通过电场作用强化钒渣浸出过程，取得了较明显的效果。本研究以陕西某地石煤钒矿为对象，硫酸为酸浸剂，探究适宜的浸出工艺参数；在适宜工艺条件下，开展电场强化浸出研究，并分析强化机理。

1 试样性质、试验装置及方法

1.1 试样性质

试验矿样取自陕西某县，其化学多元素分析结果见表1。

由表1可知，试样中主要有用成分V2O5含量为1.94%，主要成分为SiO2，其次为Al2O3和Fe2O3等。

1.2 试验装置及方法

图1为电场强化浸出装置。采用500 mL烧杯作为浸出容器，2 cm×2 cm石墨电极作为阴极，2 cm×2 cm钛钽电极作为阳极，极板间距20 cm，在烧杯底部添加一个小型磁力搅拌子辅助搅拌，转速为600 r/min。

试验时，先称取一定质量矿粉、量取一定浓度的硫酸溶液倒入烧杯中，制成矿浆；随后，将装有矿浆溶液的烧杯置于恒温水浴锅，控制浸出温度；施加不同强度的电场，进行搅拌浸出；浸出一定时间后，停止搅拌，取出烧杯，迅速抽滤，浸出渣烘干称重，浸出液量体积，化验钒含量。

2 试验结果及讨论

2.1 常规浸出条件试验

2.1.1 硫酸浓度对钒浸出率的影响

控制浸出温度为90℃，浸出时间4 h，液固比5∶1，考察硫酸浓度对钒浸出率的影响，结果见图2。

由图2可知，随着硫酸浓度的增加，钒浸出率先升高后降低；当硫酸浓度为20%时，钒浸出率最高，为62.16%。这可能是因为硫酸浓度过高时，溶出更多杂质离子，浸出液黏度变大，降低了钒在溶液中扩散系数，进而影响浸出率；另一方面，杂质离子会与溶液中钒发生反应，生产不溶物，导致浸出率降低。因此，后续试验选择硫酸浓度为20%。

2.1.2 浸出温度对钒浸出率的影响

控制硫酸浓度为20%，浸出时间4 h，液固比5∶1，考察浸出温度对钒浸出率的影响，结果见图3。

由图3可知，提高浸出温度，钒浸出率显著升高；浸出温度为50℃时，钒浸出率仅23.77%；浸出温度为90℃时，钒浸出率达到61.24%。这是因为温度提高，扩散速率提高，反应速度加快，单位时间内浸出率提高。综合考虑浸出率和生产成本，后续试验选择浸出温度为90℃。

2.1.3 液固比对钒浸出率的影响

控制硫酸浓度为20%，浸出温度90℃，浸出时间4 h，考察液固比对钒浸出率的影响，结果见图4。

由图4可知，液固比从1∶1提高至9∶1时，钒浸出率先升高后降低；当液固比为7∶1时，钒浸出率最高，为62.27%。因此，后续试验选择液固比为7∶1。

2.2 石煤生料电场强化浸出试验

控制硫酸浓度为20%，浸出温度90℃，浸出时间4 h，液固比7∶1，考察电场强度对钒浸出率的影响，结果见图5。对施加电场强度0～1 000 mA的浸出液进行开路电位、循环伏安曲线测试，结果分别见图6、图7。

由图5可知，施加电场对钒浸出率有一定程度提高，在一定的电场范围内施加的电场强度越高，钒浸出率越高。未施加电场时，钒浸出率仅为62.50%；电场强度为1 000 mA时，钒浸出率提高至67.32%。

由图6、图7可知，施加不同强度电场后，浸出体系的开路电位发生变化，施加电场强度越高，体系的开路电位越低，说明浸出体系的氧化还原电位发生降低。从循环伏安特性曲线还可以看出，浸出液中存在VO2+、VO2+，在电场的作用下分别被还原，出现2对氧化还原特征峰，施加的电场强度越高，其循环伏安峰电流强度也越高。

2.3 焙烧样电场强化浸出试验

采用常规酸浸法，施加电场强化浸出，在一定程度上可以提高钒浸出率，但钒浸出率仍小于70%。为进一步提高钒浸出率，采用高温焙烧（焙烧温度600℃、焙烧时间3 h）对矿物结构进行破坏，再施加电场进行强化浸出试验。酸浸工艺的硫酸浓度20%、浸出温度90℃、浸取时间4 h、液固比7∶1。电场强度对焙烧样酸浸钒浸出率的影响见图8。对施加电场强度0～1 000 mA的浸出液进行开路电位、循环伏安曲线测试，结果分别见图9和图10。

由图8可知，对于焙烧矿样，未施加电场时，钒浸出率为68.96%；增大电场强度，钒浸出率逐渐升高；当电场强度为1 000 mA时，钒浸出率达到71.31%，与未焙烧试样相比，钒浸出率升高了3.99个百分点。观察浸出液颜色发现，施加电场后浸出液颜色由浅绿色变为蓝色，说明焙烧使钒被氧化为更高价态。

由图9、图10可知，施加电场后，浸出体系的开路电位同样发生了变化。电场强度越高，开路电位越低，反映出浸出体系的氧化还原电位降低。从循环伏安特性曲线可以看出，浸出液中存在VO2+、VO2+不同价态的钒离子，浸出体系中VO2+在电场作用下被还原，出现2对不同的氧化还原特征峰。

3 结论

（1）针对石煤原矿，在未施加电场时钒浸出率为62.50%；当施加电场为1 000 mA时，钒浸出率提高至67.32%。电场有助于提高钒浸出率。

（2）针对石煤焙烧样，在未施加电场时，浸出率为68.96%；当施加电场强度为1 000 mA时，钒浸出率提高至71.31%。

（3）施加电场后，浸出液由浅绿色变为蓝色，钒被氧化为更高价态；浸出液中存在VO2+、VO2+不同价态的钒离子，浸出体系中VO2+在电场作用下被还原，出现2对不同的氧化还原特征峰。