钒钛磁铁矿尾矿中钒的提取工艺和动力学研究

成都理工大学硕士学位论文钒钛磁铁矿尾矿中钒的提取工艺和动力学研究姓名：闵世俊申请学位级别：硕士专业：分析化学指导教师：曾英20090501摘要I钒钛磁铁矿尾矿中钒的提取工艺和动力学研究作者简介：闵世俊，男，1985年4月生，师从成都理工大学曾英教授，2009年06月毕业于成都理工大学分析化学专业，获得理学硕士学位。摘要我国攀枝花地区蕴含着丰富的钒钛磁铁矿，该矿物是一种以铁、钒、钛为主的多元共生铁矿，占提钒原料的88%。传统的提钒工艺不仅钒回收率低，而且造成了严重的环境污染和资源浪费。本文在前人研究的基础上提出了一种无污染、高效的提钒新工艺，该工艺既解决了生产中的废气污染问题，又能综合利用资源，有良好的经济效益、环保效益和社会效益。本文采用单因素条件实验，对钒钛磁铁矿尾矿的提钒工艺进行了详细的研究，依次考察焙烧和浸出工艺中各因素对钒浸出结果的影响，并运用SEM图、XRD图谱和V-H2O体系溶解组分优势区域图，分析焙烧和浸出过程的反应机理。实验确定的昀佳熟料制备工艺条件为：矿物粒度：200目；添加剂：8%CaCO3；焙烧温度：900℃；焙烧时间：3h。昀佳浸出工艺条件是：固液比：1:3；浸出剂：30%H2SO4；浸出时间：2h；浸出温度：90℃。在此焙烧—浸出工艺条件下钒的浸出率达到81.87%。本文对钒钛磁铁矿尾矿中钒的浸出过程动力学进行了研究。结果表明浸出过程动力学模型符合粒径不变的收缩未反应核模型，131-(1-R)=kt，通过Arrhenius经验公式，由一系列不同温度下的lnk-1/T图，求得活化能为48.31kJ·mol-1。浸出过程属于化学反应控制。浸出过程动力学方程为：130r0kCM48.311-(1-R)=t=9.468exptrρRT⎛⎞⎜⎟⎝⎠该工艺的成本核算结果表明：将钙化焙烧—硫酸浸出这一工艺应用于钒钛磁铁矿尾矿中钒的提取上有可观的经济效益，每产出一吨V2O5可获得利润约3万元，且提取过程中钛的损失较小，有利于矿物资源综合利用。关键词：钒钛磁铁矿钙化焙烧硫酸浸出动力学经济效益AbstractIITechnologyofextractionandkineticsofleachingvanadiumfromvanadiumtitaniummagnetitetailingsIntroductionoftheauthor:MinShijun,male,wasborninApril,1985,whosetutorwasprofessorZengYing.HegraduatedfromChengduUniversityofTechnologyinAnalyticalChemistrymajorandwasgrantedtheMasterDegreeinJune,2009.AbstractTherearequiteabundantvanadiumtitaniummagnetiteresourcesinPanzhihua.Vanadiumtitaniummagnetiteisakindofmulti-elements-coexistentironorewhichmainlycontainiron,vanadium,andtitanium.Vanadiumtitaniummagnetiteprovide88%ofthesourceinvanadiumextraction.Traditionaltechnologyofvanadiumextractionfromvanadiumtitaniummagnetiteisnotonlyinlowrecoveryratebutalsoleadtoenvironmentalpollutionandwasteofresources.Basedonpreviousaccomplishmentofotherresearchersanewnon-pollutionroastingandhighrecoverytechnologyofextractingvanadiumwaspresentedinthispaper.Thevanadiumextractingtechnologyfromvanadium-titanium-magnetitetailingswasstudieddetailedusingsingle-factorconditionalexperiment.Thevariousfactorsaffectingtheleachingrateofvanadiumwereinvestigatedintheprocessofroastingandleaching.SEMmethod,XRDmethodandthepredominancediagramofdissolvedspeciesofV-H2Osystemwereusedinanalyzingthereactionmechanismofroastingandleachingprogress.Thebestpreparationtechnologyofclinkerwere:mineralsize:200meshes;additivecontent:8%CaCO3;roastingtemperature:900℃;roastingtime:3hours.Thebestextractingtechnologyconditionswere:solid-liquidratio:1:3;leachingsolvent:30%H2SO4;leachingtemperature:95℃;leachingtime:4hours.Afterbeingtreatedbythebestpreparationtechnologyandextractiontechnologyinabove,theextractingrateofvanadiumcanreachupto81.87%.Thekineticsofleachingvanadiumfromvanadiumtitaniummagnetitetailingswasalsoinvestigated.Resultsshowthattheleachingprocesscanbesimulatedwithashrinkingcoremodel131-(1-R)=kt.Theactivationenergyis48.31kJ·mol-1,calculatedbytheArrheniusequationfromaseriesoflnk~1/Tdiagramsunderdifferenttemperature.TheresultsofkineticanalysisoftheleachingdataunderAbstractIIIvariousexperimentalconditionsindicatedareactioncontrolledintheleachingprogress.Thefollowingrateequationwasestablished:130r0kCM48.311-(1-R)=t=9.468exptrρRT⎛⎞⎜⎟⎝⎠Thecostaccountingshowsthatthereisconsiderableeconomicbenefitintheroasting-leachingwithsulfuricacidtechnologyofvanadiumextractionfromvanadium-titaniummagnetitetailings.Theprofitwillbe30thousandsYuanforproducingonetonofV2O5.Thistechnologycauselittlelossoftitanium,whichisbeneficialtocomprehensiveutilizationofmineralresources.Keywords:VanadiumtitaniummagnetiteCalciumroastingSulfuricacidleachingKineticsEconomicbenefits独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解成都理工大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权成都理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：学位论文作者导师签名：年月日第1章引言1第1章引言1.1研究意义1.1.1钒的发现钒的发现经过了一个曲折的过程。1801年墨西哥矿物学教授安德列斯·曼纽尔·德·里奥研究集马帕褐铅矿试样时，发现了一种新元素，这种新元素的化学性质和铬、铀相似。因为它的盐在酸中加热时呈红色，因而命名为红色素(Erythronium)。德·里奥当时错误的认为它是一种铬的不纯物，含有80.72%的氧化铅和14.80%的铬酸。1830年瑞典化学家尼尔斯·加布里尔·西弗斯特姆宣布在用瑞典斯莫兰德的塔堡铁矿铸造生铁时，分离出一种新元素，尼尔斯·加布里尔·西弗斯特姆根据其化合物具有绚丽的颜色，以希腊神话中美丽女神娃娜迪斯的名字Vanadis为其命名为钒(Vanadium)。同年，德国化学家沃勒尔证明，Vanadium和早期德·里奥发现的红色素(Erythronium)是同一种元素——钒[1]。。1.1.2钒的理化性质金属钒(元素符号V)，呈银灰色，原子序数为23，相对原子质量为50.42，在元素周期表中属VB族，具有体心立方晶格。其密度为6.11g/cm3,熔点1917℃，沸点3400℃，属少数难熔金属之一。高纯度的钒具有延展性。钒的化学性质比较稳定，在常温下不被氧化，甚至在300℃以下都能保持其光泽，对空气、盐水、稀酸和碱有较好的抗腐蚀性[2]。1.1.3钒的用途[3]由于钒具有高强度，高硬度等物理性质，使得钒广泛用于各种铁合金或者非铁合金中，以提高这些金属的性能。由于钒合金具有良好的物理性质，这就使其广泛应用于国民生活的各个领域，如钢铁工业，航天工业，军事领域，电子工业，等等。1.1.3.1钒在钢铁中的应用钢铁工业是钒的主要应用领域，全球85%左右的钒用于钢铁工业[4]。钒在钢中应用主要是通过添加钒来提高钢的强度和韧性。钒可同钢中的碳和氮作用，生成小而硬的难熔金属碳化物和氮化物，从而使钒钢具有强度大，韧性、耐磨性及成都理工大学硕士学位论文2耐蚀性好的特点而广泛应用于输油(气)管道、建筑、桥梁、钢轨和压力容器等工程建设中。钒对钢材的微结构和性能有许多不同的作用。例如在高碳钢里，钒形成坚硬的碳化物，达到模具和机床所要求的耐磨能力。在高温下，碳化物不会变软，因而燃气涡轮引擎的轴承也使用这种钢材；在低碳钢里，钒在加工的高温下形成精细的沉淀物，从而提高了在低温下的强度和韧性，故含钒钢可用于桥梁，建筑和管道；钒在焊接钢里，可以稳定快速冷却形成的坚韧的铁素体相，提高焊件在低温下的韧性；钒在高温作业的钢材里，产生的精细碳化钒沉淀物在温度超过500℃仍非常稳定。美国采用粉末冶金冷加工方法开发出耐腐蚀的高钒工具钢，其性能特别优异，适用于制作各种应用的工具。1.1.3.2钒在合金中的应用钒和钛组成重要的金属合金Ti-6Al-4V，它在室温下稳定性良好，具有良好的抗疲劳性能，用于飞机发动机、宇航船舱骨架、导弹、军舰的水翼和引进器、蒸汽涡轮机叶片、火箭发动机壳等，该合金在波音747，F-14，F-16，DC-10等飞机中都有应