稀有金属 2010,34(06),924-929
pH值和温度对酸性铵盐沉钒影响研究
攀钢集团攀枝花钢钒有限公司钒制品厂
摘 要:
利用钒渣钠化焙烧-水浸工艺得到的钒浸出液为原料, 进行了酸性铵盐沉钒试验、多钒酸铵溶解度测定试验和X射线衍射表征, 研究了温度为759 5℃和pH值为2.05 .0范围内, 温度和反应终点pH值对酸性铵盐沉钒沉钒的影响。研究结果表明:随着pH值的降低和沉淀温度的升高, 沉淀产物晶体物相和杂质含量显著变化。pH值从5.0下降到2.0的过程中, 沉淀产物中 (NH4) 4Na2V10O2.810H2O和 (NH4) 6V10O2.86H2O逐渐转化为NH4V3O8.0.5H2O, 钒沉淀率显著上升, 同时沉淀产物中钠、钾和硫含量显著降低;在pH值4.05 .0范围内, 随着温度的上升, 沉淀产物由 (NH4) 4Na2V10O2.810H2O转化为 (NH4) 6V10O2.86H2O, 钒沉淀率上升, 同时沉淀物中钠和钾含量降低, 所包裹的硫含量增加, 沉淀温度为75℃时, 沉淀产物主要为 (NH4) 4Na2V10O2.810H2O, 沉淀物中钾含量处于0.140%0 .161%之间, 硫含量处于0.010%0 .017%之间;在pH 2.03 .0范围内, 沉淀产物主要为NH4V3O8.0.5H2O, 随着温度的上升, 水解产生的多钒酸钠和多钒酸钾中的钠和钾被铵所取代生成NH4V3O8.0.5H2O, 沉淀产物中钠和钾含量降低, 沉淀的最佳工艺条件为pH 2.02 .5, 温度为95℃以上, 反应2 h后, 钒沉淀率达99.38%以上, 沉淀物中钠, 钾和硫含量分别降低至0.300%, 0.090%和0.039%。
关键词:
多钒酸铵 ;十钒酸铵钠 ;酸性铵盐沉钒 ;沉淀 ;
中图分类号: TF841.3
收稿日期: 2010-02-22
基金: 攀钢集团攀枝花钢钒有限公司科技创新项目 (09Y0706) 资助;
Effects of pH and Temperature on Acidic Ammonium Salt Precipitation of Vanadate Leaching Solution
Abstract:
The vanadate-leaching solution, from the slag treated by sodium carbonate roasting and water leaching process, was used as raw material, acidic ammonium salt precipitation of vanadate experiment, solubility measurement and X-ray diffraction (XRD) techniques were conducted to study the effects of the reaction temperature and final pH on the acidic ammonium salt precipitation of vanadate leaching solution at 759 5 ℃ and pH 2.05 .0.The results showed that the crystallinity and the content of the impurities of the precipitate varied with the increasing reaction temperature and decreasing solution pH.The precipitate (NH4) 4Na2V10O28·10H2O and (NH4) 6V10O28·6H2O were converted to NH4V3O8·0.5H2O with the decease of pH from 5.02 .0, increasing the vanadium precipitation rate, while the content of sodium, potassium and sulphur decreased;the precipitate (NH4) 4Na2V10O28·10H2O was converted to (NH4) 6V10O28·6H2O with the increase of reaction temperature at pH 4.05 .0, while the vanadium precipitation rate and the content of sulphur increased, and the content of sodium, potassium decreased, the main phase of precipitate was (NH4) 4Na2V10O28·10H2O at 75 ℃, while the content of the potassium and sulphur were range from 0.140%0 .161% and 0.010%0 .017%;the main phase of the precipitate was NH4V3O8·0.5H2O at pH 2.03 .0, the sodium polyvanadate and potassium polyvanadate in the precipitate converted to ammonium polyvanadate with the increasing reaction temperature, for the sodium and potassium replaced by ammonium, decreasing the content of sodium and potassium in precipitate, under the optimal conditions of pH 2.02 .5 and reaction temperature over 95 ℃ for 2 h, the vanadium precipitation rate reached above 99.38%, the content of sodium, potassium and sulphur in the precipitate could drop to 0.3%, 0.09% and 0.039%.
Keyword:
ammonium polyvanadate;tetraammonium disodium vanadate;acidic ammonium salt precipitation of vanadate-leaching solution;precipitation;
Received: 2010-02-22
从钒原料中提取钒化合物的工艺都需要经过湿法冶金处理过程, 先将钒原料中的钒转化为水溶性钒, 含钒溶液通常有钒渣经钠化焙烧-水浸得到的浸出液
[1 ]
、 石煤和废催化剂经离子交换或萃取得到的钒富集液
[2 ,3 ,4 ]
, 然后从含钒溶液中沉淀钒, 沉钒是对含钒溶液进行净化富集的方法之一, 以实现钒与杂质元素的分离, 沉钒方法主要有水解沉钒、 铁盐沉钒、 钙盐沉钒和铵盐沉钒
[2 ]
, 其中铵盐沉钒根据沉淀过程pH值不同分为弱碱性铵盐沉钒、 弱酸性铵盐沉钒和酸性铵盐沉钒
[5 ]
, 水解沉淀法早期在工业上应用较普遍, 但其产品纯度较低, 酸消耗量大; 铁盐沉钒和钙盐沉钒一般作为富集钒的中间产品, 或用作冶炼中钒铁的原料, 应用受到限制; 偏钒酸铵沉钒法废液中钒的含量较高, 造成钒沉淀率低且铵盐消耗量大; 弱酸性铵盐沉钒沉淀产物中含化学结合态钠, 影响最终产品纯度
[1 ,6 ]
, 而酸性铵盐沉钒法克服上述方法缺点, 成为近年来应用最广泛的沉钒方法。
酸性铵盐沉钒通常在pH值为5左右时加入铵盐
[2 ]
, 搅拌条件下用硫酸调节pH值至2.0~2.5, 用蒸汽将溶液加热至沸腾
[5 ,7 ,8 ]
, 其中钠、 钾、 硫等杂质含量和钒沉淀率是决定多钒酸铵质量和钒收率的重要因素。 近年来人们研究了浸出液杂质含量
[9 ]
、 沉淀pH值
[10 ]
、 沉淀起始酸度
[11 ]
、 浸出液钒浓度
[12 ]
、 加热蒸汽压力
[13 ]
、 酸类型
[10 ]
、 沉淀温度
[5 ,10 ]
、 铵盐类型及加入量
[8 ,10 ]
、 加铵pH值
[2 ]
、 反应时间
[5 ]
和搅拌条件
[5 ]
等工艺条件对酸性铵盐沉钒的影响, 得出了最佳工艺条件, 而对于酸性铵盐沉钒过程中沉淀物形态转变和沉淀物中杂质钠、 钾和硫含量的变化机制未进行深入探讨, 其中pH值和沉淀温度是决定酸性铵盐沉钒的重要因素, 本文通过研究在不同的pH值和沉淀温度条件下沉淀产物的物理化学特征, 阐述pH值和沉淀温度对沉淀产物形态转变、 钒沉淀率和杂质含量的影响机制, 以期为工业生产多钒酸铵和后续产品的开发提供理论参考。
1 实 验
1.1 材 料
试验所用浓H2 SO4 , NaOH和 (NH4 ) 2 SO4 均为国产分析纯试剂。
钒溶液采用攀钢集团攀枝花钢钒有限公司钒制品厂浸出液, 由钒渣经过钠化焙烧和水浸工序得到, 溶液pH值为10.0, 其主要成分见表1。
1.2 仪 器
METTLER TOLEDO PL6001-S型电子天平; METTLER TOLEDO FE20实验室pH计; HH-S216型电热恒温水浴锅; JJ-1数显电动搅拌器。
沉淀得到固体样品表征采用philips PW1710X射线衍射仪, 用Cu靶Kα衍射, 管电压40 kV, 管电流100 mA, 扫描范围10°~100 °, 石墨单色器, PHA广角测角仪附件: DS: 1 °, RS: 0.3 mm, SS:1°, RSM: 0.6 mm, 扫描角度0.4 (°) ·s-1 。
1.3 实验方法
准确量取400 ml合格浸出液于500 ml烧杯中, 然后置于恒温水浴锅中加热至设定温度, 搅拌速度设定为300 r·min-1 , 并将溶液pH调至5.0, 然后加入23.4 g硫酸铵固体, 待硫酸铵固体完全溶解后, 向溶液中缓慢滴加浓硫酸将pH值调节至设定值, 反应120 min后, 停止搅拌, 将溶液静置15 min, 然后趁热过滤, 洗涤, 常温下干燥保存。
钒元素采用高锰酸钾氧化-硫酸亚铁滴定法测定, 铵采用纳氏试剂分光光度法测定, 钠、 钾和硫元素采用MXF-2400多暴X射线荧光光谱仪测定。
2 结果与讨论
2.1 不同pH值条件下沉淀产物物相分析
钒浸出液pH值为10.0, 主要成分是偏钒酸钠, 偏钒酸根离子在溶液中以 (V3 O
3 - 9
) 离子状态存在
[14 ]
, pH值为4~5时, 钒以HV10 O
5 - 2 8
[13 ]
, 为考察沉淀过程中沉淀产物的物相, 在85 ℃条件下, 对pH值分别为2.0, 3.0, 4.0, 5.0时的沉淀产物进行X射线衍射特征。 结果由图1所示, 当pH值为4.0和5.0时, 沉淀产物具有相一致的特征衍射峰, 可知沉淀产物主要物相成分为 (NH4 ) 4 Na2 V10 O28 ·10H2 O (JCPDS No.52-0307) , 同时还存在 (NH4 ) 6 V10 O28 ·6H2 O (JCPDS No. 82-0481) 。 当pH值为2.0和3.0时, X射线衍射结果表明沉淀产物为NH4 V3 O8 ·0.5H2 O (JCPDS No. 41-0492) , 其他产物峰强度较弱, 由此可以推断在85 ℃条件下, 沉淀产物 (NH4 ) 4 Na2 V10 O28 ·10H2 O开始向NH4 V3 O8 ·0.5H2 O转变的pH值处于3.0~4.0之间。
表1 钒浸出液主要化学成分 (pH=10.0, g·L-1)
Table 1 Composition of vanadium leaching solution (pH=10.0, g ·L -1 )
Sample elements
V
Cr
Si
P
Na
K
Contents
29.230
1.470
1.040
0.005
22.700
0.490
2.2 pH值和温度对钒沉淀率的影响
如图2所示为75, 85和95 ℃条件下, 钒沉淀率随pH值变化情况, 由图可知, 钒沉淀率随pH值降低而上升; 在75, 85和95 ℃条件下, 钒沉淀率拐点pH值分别为3.0, 3.5和4.0, 结合3.1结果可知钒沉淀率拐点pH值为沉淀产物的相变时pH值, 此时 (NH4 ) 4 Na2 V10 O28 ·10H2 O逐渐转化为NH4 V3 O8 ·0.5H2 O, 由于NH4 V3 O8 ·0.5H2 O溶解度较小, 因此钒沉淀率上升; 在pH 2.0~2.5范围内降低温度有利于提高钒沉淀率, 可知沉淀产物NH4 V3 O8 ·0.5H2 O的溶解度随温度的上升而增大; 而在pH 3.0~5.0范围内温度上升时钒的沉淀率上升, 有研究表明当pH>2.5后, 多聚钒酸根的聚集状态产生变异, 生成部分V10 O
6 - 2 8
, 且低温有利于 (NH4 ) 4 Na2 V10 O28 ·10H2 O的形成
[10 ]
, 由此推断随着温度上升沉淀产物中钠离子部分被铵离子取代, 促进 (NH4 ) 4 Na2 V10 O28 ·10H2 O向 (NH4 ) 6 V10 O28 ·6H2 O转变。
图1 不同pH条件下, 沉淀产物X射线衍射分析
Fig.1 XRD pattern of precipitate at different pH value
多钒酸铵溶解度采用溶解法测定, 取一定量新制备的多钒酸铵固体溶于蒸馏水中, 密封置于恒温水浴锅中恒温加热, 温度为95 ℃, 采用硫酸和氢氧化钠溶液调节pH值, 恒温24 h后, 将溶液快速过滤, 测定滤液中钒浓度。 由图3可知, 多钒酸铵溶液中钒浓度随pH值的变化情况, 在pH值1.5~2.5之间, 随着pH值的上升, 钒浓度逐渐下降, pH=1.5时, 溶液中钒浓度为0.234 g·L-1 , 当pH=2.14时, 钒浓度降到最低为0.08 g·L-1 ; 在pH 2.14~4.0范围内, 钒浓度变化随pH值变化不显著, 钒浓度最大值为0.114 g·L-1 。 当pH>4.0时, 钒浓度随pH值的上升显著增加。 因此理论上沉淀终点温度应控制在95 ℃以上, 沉淀pH值控制在2.0~2.5之间, 溶液中存在铵盐时, 反应平衡后溶液中的钒浓度可降到0.08 g·L-1 以下, 以钒浸出液浓度29.23 g·L-1 计, 钒沉淀率可达99.7%以上; 有研究表明, 采用浓度为1%的 (NH4 ) 2 SO4 溶液洗涤多钒酸铵能有效降低钒损失
[15 ]
, 因此多钒酸铵进行洗涤除杂过程中, 洗涤液采用浓度为1%的 (NH4 ) 2 SO4 , 同时pH值应控制在1.5~4.0范围内, 此时钒溶解损失最低。
2.3 pH值和温度对沉淀产物钒和铵含量的影响
图4, 5所示为温度和pH值对沉淀产物中钒含量的影响, 由图4可知, 随着pH值的下降和温度的上升, 沉淀产物中的钒含量增加; 由图5可知, 产物中铵含量随温度的上升而增加。
pH值为4.0~5.0时, 在75和85 ℃条件下, 钒含量处于40.23%~41.05%之间, 铵含量5.57%~5.82%之间, 与 (NH4 ) 4 Na2 V10 O28 ·10H2 O中钒含量值40.56%和铵含量值5.77%基本一致, 由此推断此时沉淀产物主要为 (NH4 ) 4 Na2 V10 O28 ·10H2 O, 在95 ℃条件下, 钒和铵含量显著增加, 是由于部分 (NH4 ) 4 Na2 V10 O28 ·10H2 O转化为 (NH4 ) 6 V10 O28 ·6H2 O。
在75, 85和95 ℃条件下, pH值分别为2.0, 2.0~3.5和2.0~4.0时, 钒含量处于48.5%~50.29%之间, 与NH4 V3 O8 ·0.5H2 O中钒含量49.7%相一致, 此时沉淀产物主要为NH4 V3 O8 ·0.5H2 O, 钒在水溶液中的聚合形式主要取决于pH值, 降低pH值时溶液中钒的聚合形式发生改变, V10 O
6 - 2 8
转化为HV6 O
3 - 1 7
[1 ,13 ]
, 有利于 (NH4 ) 4 Na2 V10 O28 ·10H2 O和 (NH4 ) 6 V10 O28 ·6H2 O向NH4 V3 O8 ·0.5H2 O转变, 其物相转变pH值过渡区域与3.2试验结果相一致。
由图5可知, 产物中铵含量随温度的上升而增加, 随pH值变化影响不大, 温度是影响沉淀产物中铵含量的主要因素, 提高沉淀温度则有利于铵对钠的取代, 使得 (NH4 ) 4 Na2 V10 O28 ·10H2 O转化为 (NH4 ) 6 V10 O28 ·6H2 O, 温度从85 ℃向95 ℃上升过程中最为显著。
图4 不同温度和pH值条件下, 沉淀产物钒含量
Fig.4 Vanadium content in precipitate at different pH and temperature
图5 不同温度和pH值条件下, 沉淀产物铵含量
Fig.5 Ammonium content in precipitate at different pH and temperature
2.4 pH值和温度对沉淀产物钠和钾含量的影响
图6所示为温度和pH值对沉淀产物中钠含量的影响, 由图可知, 产物中钠含量随pH值的升高而显著上升, 随着温度的上升而逐渐降低。 在 95 ℃条件下, 在pH值2.0~4.0之间, 产物中钠含量处于0.14%~0.30%之间, 随pH值变化影响不大, 因此应控制溶液pH值2.0~4.0, 温度为 95 ℃, 此时沉淀产物中杂质钠含量最低。
图7所示为沉淀产物中钾含量随温度和pH值变化情况, 由图可知, 沉淀物中钾含量随pH值的升高而显著上升; 随着温度的上升, 沉淀物中的钾含量逐渐降低。 在95 ℃条件下, 当pH值处于 2.0~4.0之间时, 沉淀物中钾含量为0.084%~0.098%之间, 随pH值变化影响不大, 因此控制溶液pH值2.0~4.0, 温度为95 ℃时, 产物中钾含量最低。
有研究表明: 在沉淀多钒酸铵的过程中, 多钒酸中的质子可以被其他正离子所取代, 正离子的选择顺序为K+ >NH+ 4 >Na+ >H+
[7 ]
, 而实验所采用的钠化提钒浸出溶液中钠和钾离子浓度分别为22.7和0.49 g·L-1 , 由图7所示, 随着温度升高和pH值的降低, 沉淀产物中的钾含量变化范围小于50%, 且溶液中初始钾浓度仅为0.49 g·L-1 , 因此要降低沉淀产物中钾含量得到高纯度多钒酸铵, 不仅要提高铵盐的加入量和降低沉淀pH值, 更应降低提钒浸出液中的钾浓度。
由图7和8可知: 钾钠等杂质含量随温度上升和pH的下降而降低, 实验2.3结果显示, 随着温度的升高, 沉淀物中铵含量显著升高, 随pH值变化不显著。 由此推断: 在pH值4.0~5.0范围内, 随着温度的上升, 沉淀物中的钾钠逐渐被溶液中的NH+ 4 所取代, (NH4 ) 4 Na2 V10 O28 ·10H2 O部分转化为 (NH4 ) 6 V10 O28 ·6H2 O; 在pH2.0~3.0范围内, 则是水解产生的多钒酸钠和多钒酸钾中的钠和钾随着温度的上升被铵所取代生成多钒酸铵。
2.5 pH值和温度对沉淀产物硫含量的影响
图8所示为产物中硫含量随温度和pH值变化情况, 由图可知, 随着pH值的降低沉淀物中硫含量降低, 与钠钾含量变化趋势基本一致; 随温度上升, 沉淀物中硫含量增加, 在pH 4.0~5.0范围内变化最显著, 与钠、 钾含量变化趋势相反, 由此推断在pH 4.0~5.0范围内, 沉淀物中钠主要以钒酸铵钠形式存在, 硫主要不是以硫酸钠或硫酸钾的形式存在, 而主要是以吸附形式存在, 硫酸根离子的吸附量随着温度上升而增加, 随pH值的下降而减少。
图8 同pH值和温度条件下, 沉淀产物中的硫含量
Fig.8 Potassium content in precipitation at different pH and temperature
3 结 论
1. 当沉淀pH值为4.0~5.0时, 为弱酸性铵盐沉钒, 沉淀产物主要为 (NH4 ) 4 Na2 V10 O28 ·10H2 O, 反应式为V10 O
6 - 2 8
+4NH+ 4 +2Na+ +10H2 O= (NH4 ) 4 Na2 V10 O28 ·10H2 O↓, 沉淀温度75 ℃时, 沉淀物中杂质硫含量在0.01%~0.017%之间; 当沉淀pH值为2.0~3.0时, 为酸性铵盐沉钒, 沉淀主要产物为NH4 V3 O8 ·0.5H2 O; 沉淀最佳工艺条件为pH 2.0~2.5, 温度为95 ℃, 此时钒沉淀率达99.38%以上, 沉淀物中钠, 钾和硫含量分别为0.3%, 0.09%和0.039%以下。
2. pH值影响机制: 随着pH值从5.0~2.0下降过程中, 溶液中V10 O
6 - 2 8
转化为HV6 O
3 - 1 7
, 沉淀产物 (NH4 ) 4 Na2 V10 O28 ·10H2 O和 (NH4 ) 6 V10 O28 ·6H2 O逐渐转化为NH4 V3 O8 ·0.5H2 O, 沉淀物中钠含量降低, 钒沉淀率上升, 同时沉淀物中所吸附的杂质硫含量降低。
3. 温度影响机制: 在pH 3.0~5.0范围内, 随着温度的上升, 铵与V10 O
6 - 2 8
的结合能力相对增强, 铵部分取代钠, (NH4 ) 4 Na2 V10 O28 ·10H2 O转化为 (NH4 ) 6 V10 O28 ·6H2 O, 钒沉淀率上升, 沉淀物中钠含量降低, 沉淀物中吸附杂质硫含量增加; 在pH 2.0~3.0范围内, 随着温度的上升, 水解产生的多钒酸钠和多钒酸钾中的钠钾被铵所取代生成NH4 V3 O8 ·0.5H2 O, 沉淀产物中钠和钾含量降低, 沉淀物中吸附的杂质硫含量增加。
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