CN105714332A - 一种熔盐电沉积钒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种熔盐电沉积钒的方法，本发明方法以NaCl、KC1、NaF构成的三组元为介质，阳极材质为高纯石墨，阴极为碳钢片，在温度670～830℃保温7h将V2O5在熔盐中充分溶解、脉冲给电且平均电流密度为110～190mA/cm2的条件下，电沉积时间1～2.5小时，在碳钢阴极上得到纯钒。本发明构成熔盐的组元为常用廉价药剂，易获得，成本低，且消耗少，生产工艺简单，过程容易控制，具有很好的应用前景。

Description

一种熔盐电沉积钒的方法
技术领域
本发明属于有色金属提炼技术领域，具体涉及一种熔盐电沉积钒的方法。
背景技术
目前金属钒的提取有如下方法：
1)湿法提钒：以含钒较高的钒钛磁铁矿精矿（一般含V2O5的质量分数为1～2%）为原料，经破碎精选成为精矿粉，与芒硝（十水合硫酸钠Na2SO4·10H2O）混合制球后，在800～1200℃的窑中高温焙烧，精矿粉中氧化钒与芒硝作用，转化为可溶性钒酸钠，再将焙烧好的球团矿浸入水中，使钒酸钠充分溶解，加入硫酸，钒酸钠在硫酸的作用下转化为不溶于水的V2O5，经沉淀、过滤提纯后，得到较纯的V2O5即可作为钒铁合金的工业原料，经铝热法或电硅热法得到钒铁及其合金等终端产品。此方法的优点为：选取钒钛磁铁矿精矿作为提取V2O5原料，含钒量高；可回收铁；焙烧温度低，只有800℃左右，动力和辅助材料消耗量也少。缺点：处理量少；钒的回收率较低，从精矿粉提取V2O5的回收率约为60%～70%。
2)火法提钒：火法提钒是用含钒的铁矿石，经过高炉冶炼出含钒铁水，在炼钢的过程中提取出含钒炉渣，通过电硅热法提钒处理得到钒。俄罗斯、中国等国家主要采用这种方法提取钒。
此外，将含钒铁矿预还原成金属球团矿后，还可以通过电炉冶炼出含钒铁水，提取钒渣，再经过提钒处理得到钒。新西兰和南非等国家主要采用这种方式提取钒。此方法的优点是处理简单，处理物料量大，回收效率高，从精矿粉提取V2O5的回收率达80%以上；缺点是设备投资大，焙烧温度高（1200℃以上），不可回收铁，动力及辅助原料消耗大。
从金属氧化物中直接提取难熔金属的方法有传统熔盐电解法、金属热还原法、气体还原法、新熔盐电解法等，但这些方法都存在着一些不足。鉴于从难熔金属氧化物中提取金属的生产工艺上还存在着很多问题，例如优化制备难熔金属的工艺流程、减少生产带来的污染、降低生产成本、提高生产效率等，近年来直接从金属氧化物中提取难熔金属是研究工作者关注的热点之一。
发明内容
为解决本领域中存在的上述技术缺陷，在充分分析钒氧化物直接制备难熔金属的制备难点（熔点高，化合价多变，且不易控制）的基础上，本发明提供一种熔盐电沉积钒的方法，该方法以熔盐为介质，先用熔盐溶解V2O5，然后在直流电的作用下，由V2O5一步电沉积出钒。
本发明所称问题是通过以下技术方案解决的：
一种熔盐电沉积提钒的方法，该方法包括以下步骤：
a.配制熔盐介质：选取由NaCl、KC1、NaF构成的三组元为介质，其中NaCl、KC1的摩尔比为n（NaCl）：n（KCl）=1:1，三组元中NaF的摩尔分数为0.1～0.5，步长为0.1，在三组元中加入占熔盐介质质量百分数的15%的V2O5，将称好的四种试剂混合均匀后装入坩埚，放入井式电阻炉中，升温至670～830℃，保温7h使V2O5在NaKClF熔盐体系中溶解达到饱和；
b.预电解除杂：放入预制好的阴极碳钢片，预电解20分钟除杂；
c.电沉积钒：在氩气保护气氛中，放入预先处理好的阳极石墨和阴极碳钢片，在温度为710～750℃，电流密度为110～190mA/cm2，沉积时间为1～2.5h，脉冲电流条件下进行电沉积实验，得到纯钒。
本发明所述步骤b中电解除杂的条件为：温度为710℃，阴极电流密度为200mA/cm2。
本发明所述步骤a中坩埚为氧化锆坩埚。
本发明所述步骤a中井式电阻炉中升温温度为710℃。
本发明所述步骤a中井式电阻炉中升温温度为830℃。
本发明所述步骤a中井式电阻炉中升温温度为670℃。
本发明所述步骤c中脉冲电流条件为：温度为710℃，电流密度为150mA/cm2，沉积时间为1h。
本发明所述步骤c中脉冲电流条件为：在温度为750℃，电流密度为150mA/cm2，沉积时间为1h。
本发明所述步骤c中脉冲电流条件为：温度为710℃，电流密度为110mA/cm2，沉积时间为2.5h。
本发明所述步骤c中脉冲电流条件为：温度为740℃，电流密度为190mA/cm2，沉积时间为2h。
熔盐电沉积提钒涉及到的主要反应如下：
4V2O5+6NaF=6NaVO3+2VF3+O2
VO3 -+5e-=V+3O2-
本发明方法以NaCl、KC1、NaF构成的三组元为介质，阳极材质为高纯石墨，阴极为碳钢片，在温度670～830℃保温7h将V2O5在熔盐中充分溶解、脉冲给电且平均电流密度为110～190mA/cm2的条件下，电沉积时间1～2.5小时，在碳钢阴极上得到纯钒。其工作机理如下:电沉积过程中，粉状V2O5在NaCI-KC1-NaF熔盐体系中与NaF反应形成溶于该熔盐的NaVO3，使V2O5过剩并沉淀在熔盐的底部，随着电沉积的进行，熔盐中NaVO3，不断减少，过剩的V2O5继续与熔盐中的NaF反应生成NaVO3，从而使熔盐中的钒得到补充。在电沉积前，预先在温度为710℃，阴极电流密度为200mA/cm2条件下，预电解20分钟除杂。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明中构成熔盐的组元为常用廉价药剂，易获得，成本低，且消耗少；2、本发明中生产工艺流程短，操作简单、参数的控制范围宽，容易实现；3、本发明为制备钒提供了一种简单易行的新方法，对于制备高纯度的钒具有重要意义，该技术在特种钢和合金钢的制备中具有很好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1阴极上沉积层的SEX表面形貌图；
图2为实施例1阴极上沉积层的SEX表面形貌图；
图3为实施例1阴极上沉积层的SEX表面形貌图；
图4为实施例1阴极上沉积层的SEX表面形貌图；
图5为阴极产物EDS图；
图6为钒含量随沉积层厚度的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
以下给出几个具体的实施例:
实施例1
一种熔盐电沉积提钒的方法，包括以下步骤：
a.配制熔盐介质：选取由NaCI、KC1、NaF构成的三组元为介质，其中NaCl、KC1的摩尔比为n（NaCl）:n（KCl）=1:1，三组元中NaF的摩尔分数为0.2，在三组元中加入占熔盐介质质量百分数的15%的V2O5，将称好的四种试剂混合均匀后装入氧化锆坩埚，放入井式电阻炉中，升温至710℃，保温7h使V2O5在NaKClF熔盐体系中溶解达到饱和；
b.预电解除杂：放入预制好的阴极碳钢片，在温度为710℃，阴极电流密度为200mA/cm2条件下，预电解20分钟除杂；
c.电沉积钒：在氩气保护气氛中，放入预先处理好的阳极石墨和阴极碳钢片，在温度为710℃，电流密度为150mA/cm2，沉积时间为1h，脉冲电流条件下进行电沉积实验，得到沉积层的SEM表面形貌图，见图1。
实施例2
一种熔盐电沉积提钒的方法，包括以下步骤：
a.配制熔盐介质：选取由NaCI、KC1、NaF构成的三组元为介质，其中NaCl、KC1的摩尔比为n（NaCl）:n（KCl）=1:1，三组元中NaF的摩尔分数为0.1，在三组元中加入占熔盐介质质量百分数的15%的V2O5，将称好的四种试剂混合均匀后装入氧化锆坩埚，放入井式电阻炉中，升温至830℃，保温7h使V2O5在NaKClF熔盐体系中溶解达到饱和；
b.预电解除杂：放入预制好的阴极碳钢片，在温度为710℃，阴极电流密度为200mA/cm2条件下，预电解20分钟除杂；
c.电沉积钒：在氩气保护气氛中，放入预先处理好的阳极石墨和阴极碳钢片，在温度为750℃，电流密度为150mA/cm2，沉积时间为1h，脉冲电流条件下进行电沉积实验，得到沉积层的SEM表面形貌图，见图2。
实施例3
一种熔盐电沉积提钒的方法，包括以下步骤：
a.配制熔盐介质：选取由NaCI、KC1、NaF构成的三组元为介质，其中NaCl、KC1的摩尔比为n（NaCl）:n（KCl）=1:1，三组元中NaF的摩尔分数为0.1，在三组元中加入占熔盐介质质量百分数的15%的V2O5，将称好的四种试剂混合均匀后装入氧化锆坩埚，放入井式电阻炉中，升温至710℃，保温7h使V2O5在NaKClF熔盐体系中溶解达到饱和；
b.预电解除杂：放入预制好的阴极碳钢片，在温度为710℃，阴极电流密度为200mA/cm2条件下，预电解20分钟除杂；
c.电沉积钒：在氩气保护气氛中，放入预先处理好的阳极石墨和阴极碳钢片，在温度为710℃，电流密度为110mA/cm2，沉积时间为2.5h，脉冲电流条件下进行电沉积实验，得到沉积层的SEM表面形貌图，见图3。
实施例4
一种熔盐电沉积提钒的方法，包括以下步骤：
a.配制熔盐介质：选取由NaCI、KC1、NaF构成的三组元为介质，其中NaCl、KC1的摩尔比为n（NaCl）:n（KCl）=1:1，三组元中NaF的摩尔分数为0.3，在三组元中加入占熔盐介质质量百分数的15%的V2O5，将称好的四种试剂混合均匀后装入氧化锆坩埚，放入井式电阻炉中，升温至670℃，保温7h使V2O5在NaKClF熔盐体系中溶解达到饱和；
b.预电解除杂：放入预制好的阴极碳钢片，在温度为710℃，阴极电流密度为200mA/cm2条件下，预电解20分钟除杂；
c.电沉积钒：在氩气保护气氛中，放入预先处理好的阳极石墨和阴极碳钢片，在温度为740℃，电流密度为190mA/cm2，沉积时间为2h，脉冲电流条件下进行电沉积实验，得到沉积层的SEM表面形貌图，见图4。
图5为阴极产物EDS图，图6为在实施例1中的沉积条件下，钒含量随沉积层厚度的变化曲线，通过图5、6可以看出，实施例1-4中的得到的钒纯度较高。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种熔盐电沉积提钒的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a.配制熔盐介质：选取由NaCl、KC1、NaF构成的三组元为介质，其中NaCl、KC1的摩尔比为n（NaCl）：n（KCl）=1:1，三组元中NaF的摩尔分数为0.1～0.5，步长为0.1，在三组元中加入占熔盐介质质量百分数的15%的V2O5，将称好的四种试剂混合均匀后装入坩埚，放入井式电阻炉中，升温至670～830℃，保温7h使V2O5在NaKClF熔盐体系中溶解达到饱和；
b.预电解除杂：放入预制好的阴极碳钢片，预电解20分钟除杂；
c.电沉积钒：在氩气保护气氛中，放入预先处理好的阳极石墨和阴极碳钢片，在温度为710～750℃，电流密度为110～190mA/cm2，沉积时间为1～2.5h，脉冲电流条件下进行电沉积实验，得到纯钒。
2.根据权利要求1所述的一种熔盐电沉积提钒的方法，其特征在于，所述步骤b中电解除杂的条件为：温度为710℃，阴极电流密度为200mA/cm2。
3.根据权利要求1所述的一种熔盐电沉积提钒的方法，其特征在于，所述步骤a中坩埚为氧化锆坩埚。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种熔盐电沉积提钒的方法，其特征在于，所述步骤a中井式电阻炉中升温温度为710℃。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的一种熔盐电沉积提钒的方法，其特征在于，所述步骤a中井式电阻炉中升温温度为830℃。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的一种熔盐电沉积提钒的方法，其特征在于，所述步骤a中井式电阻炉中升温温度为670℃。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的一种熔盐电沉积提钒的方法，其特征在于，所述步骤c中脉冲电流条件为：温度为710℃，电流密度为150mA/cm2，沉积时间为1h。
8.根据权利要求1-3任意一项所述的一种熔盐电沉积提钒的方法，其特征在于，所述步骤c中脉冲电流条件为：在温度为750℃，电流密度为150mA/cm2，沉积时间为1h。
9.根据权利要求1-3任意一项所述的一种熔盐电沉积提钒的方法，其特征在于，所述步骤c中脉冲电流条件为：温度为710℃，电流密度为110mA/cm2，沉积时间为2.5h。
10.根据权利要求1-3任意一项所述的一种熔盐电沉积提钒的方法，其特征在于，所述步骤c中脉冲电流条件为：温度为740℃，电流密度为190mA/cm2，沉积时间为2h。
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