CN107010701B - 利用电容去离子技术分离富集五价钒的方法 - Google Patents

利用电容去离子技术分离富集五价钒的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用电容去离子技术分离富集五价钒的方法，包括以下步骤：(1)将碳材料和三脂肪胺类萃取剂混合，得到负载碳材料(2)将负载碳材料、粘结剂、溶剂按一定比例混合混合，均匀喷覆(涂抹)在集电极表面，烘干后得到电极板；(3)将电极板平行置于电容去离子模块中，连接直流电源，然后将pH为1.5～2.5的五价钒溶液通入电容去离子模块进行吸附处理；(4)先向吸附后的电容去离子模块中通入稀盐酸洗涤，之后短接或反接电极板的正负极，通入碳酸钠溶液，进行脱附过程，最终得到富钒液。本发明具有操作简单，能量消耗小、药剂使用量少和环境友好等优点。

Description

利用电容去离子技术分离富集五价钒的方法
技术领域
本发明属于湿法冶金提钒领域，具体涉及一种利用电容去离子技术分离富集五价钒的方法。
背景技术
电容去离子法是是一种基于双电层电容理论的水质淡化净化技术，它被广泛运用于海水淡化、工农业用水除盐和生活用水除盐。例如公开号为CN104909439A的专利介绍了一种含盐废水的电吸附除盐方法，通过对含盐废水进行电吸附处理达到除盐的效果。但电容去离子技术缺乏在金属离子分离富集方面的应用。
石煤是我国特有的一种含钒资源，清洁高效地从石煤中提取钒一直是学者们的研究热点。焙烧-酸浸提钒工艺由于具有钒回收率高、对矿石适应性强等特点，是目前石煤提钒领域广泛采用的工艺之一。在焙烧过程中，有部分钒被氧化至五价而进入浸出液。由于石煤中含钒少，导致酸浸液中钒浓度较低，杂质较多，不利于后续沉钒作业。公开号为106350671A的专利介绍了一种从石煤酸浸液中净化富集钒的方法，通过调节pH值、还原、萃取、洗涤、反萃取等步骤从石煤提钒酸浸液中分离富集钒，其中萃取、洗涤、反萃取是从酸浸液中分离富集钒的关键环节，这一过程操作复杂，而且使用了大量萃取剂，成本较高，另外生产过程中不可避免地会发生萃取剂的流失，对环境污染较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作简单、能耗低、药剂用量较少、环境友好的钒分离富集技术，达到从含钒溶液中分离富集钒的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：利用电容去离子技术分离富集五价钒的方法，其特征在于所述方法的步骤是：
(1)制备负载碳材料：将碳材料与萃取剂按固液比(g/mL)1:10～100混合，超声搅拌1～3h，搅拌转速为40～70r/min，经固液分离，将所得的固体用固体质量10～15倍的纯水进行洗涤，然后将洗涤后的固体在40～65℃下真空干燥3～7h，得到负载碳材料；
(2)制备电极板：取步骤(1)中得到的负载碳材料，加入负载碳材料质量9％～17％的粘结剂，再按照负载碳材料与有机溶剂的固液比(g/mL)1:3～8加入有机溶剂，超声搅拌1～2h，搅拌转速120～130r/min，得到负载碳材料浆体，再将负载材料浆体均匀喷覆或涂抹在集电极两面，然后将集电极在40～65℃下真空干燥3～5h，得到电极板；
(3)处理含钒溶液：将多组电极板按间距0.3～0.7cm平行置于电容去离子模块中，将平行排列的电极板分别接通到直流电源正负极上，设定直流电源电压为0.5～1.7V，然后将待处理的含五价钒溶液通入电容去离子模块中进行处理，控制含五价钒溶液在平行电极板间的流速为20～60cm/min，流出电容去离子模块的含五价钒溶液又通入电容去离子模块进行循环处理；
(4)五价钒的脱附：当电极板达到吸附饱和后，将电容去离子模块中的含五价钒溶液排净，再通入0.2～0.5mol/L的盐酸，去除杂质离子，再然后分别将连接到直流电源正负极的电极板短接或反接，然后再将0.3～0.6mol/L碳酸钠通入到电容去离子模块中，流出电容去离子模块的溶液又通入电容去离子模块进行循环脱附处理，得到富钒液。
按上述方案，所述步骤(1)中的碳材料为活性炭、碳气凝胶、碳纳米管、介孔碳、碳纳米纤维中的一种或几种。
按上述方案，所述步骤(1)中的萃取剂为三脂肪胺类萃取剂，所述萃取剂体积分数为10％～30％，用于稀释萃取剂的溶剂剂为乙醇、乙醚、丙酮、石油醚中的一种或几种。
按上述方案，所述三脂肪胺类萃取剂为N235、N263或N1923。
按上述方案，所述步骤(2)中的粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的一种，溶剂为二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、乙醇中的一种，集电极为高纯石墨片或涂层钛电极板。
按上述方案，所述的含钒溶液pH为1.5～2.5，溶液中钒以五价态的阴离子形式存在，钒浓度(以元素计)为500～3000mg/L，杂质离子铁浓度为50～5000mg/L，铝浓度为500～10000mg/L，磷浓度(以元素计)50～1000mg/L。
本发明将萃取与电容去离子技术结合，提出一种新的从含钒溶液中分离富集五价钒的方法，通过基于具有特性吸附作用的负载萃取剂的电极板的电容去离子技术对含钒溶液进行处理，达到分离富集钒的目的。其具体原理为：在含钒溶液中，五价钒以阴离子形式存在，铁、铝以阳离子形式存在，在电场作用下，不同的带电离子分别移向不同的电极，实现钒与铁、铝的分离。另外电极材料中还包含有萃取剂，萃取剂在吸附固定离子的时候，由于其自身的选择性和碳材料的选择性，使钒与磷分开，最终实现分离钒的目的。
本发明的有益效果在于：本发明主要基于负载碳材料电极电容去离子对含钒溶液中不同离子的吸附差异达到对钒进行分离富集的目的。本发明由于采用的是电容去离子方法，因此具有流程较短，操作简单的特点，负载萃取剂的碳电极对钒和杂质离子具有很好的分离效果；处理过程中通电电压仅为0.5～1.7V，且吸附过程无氧化还原反应，故能耗低；吸附处理过程不需要使用化学试剂，故药剂消耗量较小，对环境友好。
附图说明
图1为本发明的一种工艺流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对其保护范围的限制：
实施例1：
一种利用电容去离子技术分离富集五价钒的方法，其处理工艺的具体步骤如图1所示。
(1)制备负载活性炭：将10g的活性炭和100mL体积分数为15～22％的N235中，50～60r/min超声搅拌1.5～2h，经固液分离，将所得的固体用固体质量12～13倍的纯水进行洗涤，然后将洗涤后的固体在50～60℃下真空干燥4.5～5.5h，得到负载N235的活性炭；
(2)制备电极板：取步骤(2)中得到的5g负载活性炭，加入0.5～0.6g的粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)，25～30mL的溶剂二甲基乙酰胺(DMAC)，125r/min超声搅拌1.5h得到负载活性炭浆体，再将负载活性炭浆体喷覆在集电极高纯石墨片的两面，然后将集电极在48～55℃下真空干燥3.5～4.7h，得到电极板；
(3)处理含钒溶液液：将5组(每组分为正负两极)电极板以极板间距0.5cm平行置于电容去离子模块中，将平行排列的电极板分别接通到直流电源正负极上，设定直流电源电压为1.5V，将待处理的含钒溶液通入电容去离子模块进行处理，控制含钒溶液在平行电极板间的流速为20～35cm/min，流出电容去离子模块的含钒溶液又通入电容去离子模块进行循环处理，含钒溶液的体积为1000mL，钒浓度为1890mg/L，铁浓度为1327mg/L，铝浓度为6799mg/L，磷浓度523mg/L，含钒溶液pH为1.5。
(4)五价钒的脱附：当电极板达到吸附饱和后，将电容去离子模块中的含钒溶液排净，通入0.2～0.3mol/L的盐酸，去除杂质离子，再分别将连接到直流电源正负极的电极板短接或反接，再然后再将0.3～0.4mol/L碳酸钠通入到电容去离子模块中，流出电容去离子模块的溶液又通入电容去离子模块进行循环脱附处理，得到富钒液。
本实施例对含钒溶液处理情况如下表所示。
Figure BDA0001280096410000031
实施例2：
一种利用电容去离子技术分离富集五价钒的方法，其处理工艺的具体步骤如图1所示：
(1)制备负载活性炭：将10g的碳纳米管加入100mL体积分数为10～15％的N1923中，40～50r/min超声搅拌1～1.5h，经固液分离，将所得的固体用固体质量10～11.5倍的纯水洗涤，然后将洗涤后的固体在40～50℃下真空干燥3～4h，得到负载N1923的碳纳米管。
(2)制备电极板：取步骤(2)中得到的5g负载碳纳米管，加入0.45～0.5g的粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)，15～25mL的溶剂二甲基乙酰胺(DMAC)，120r/min超声搅拌1h得到负载碳纳米管浆体，再将负载碳纳米管浆体喷覆在集电极涂层钛电极的两面，然后将集电极在55～65℃下真空干燥3～3.5h，得到电极板。
(3)处理含钒溶液：将6组(每组分为正负两极)电极板以极板间距0.3cm平行置于电容去离子模块中，将平行排列的电极板分别接通到直流电源正负极上，设定直流电源电压为1.3V，将待处理的含钒溶液通入电容去离子模块进行处理，控制含钒溶液在平行电极板间的流速为35～50cm/min，流出电容去离子模块的含钒溶液又通入电容去离子模块进行循环处理，含钒溶液的体积为1500mL，钒浓度为2793mg/L，铁浓度为4624mg/L，铝浓度为9351mg/L，磷浓度为644mg/L，含钒溶液pH为2。
(4)五价钒的脱附：当电极板达到吸附饱和后，将电容去离子模块中的含钒溶液排净，通入0.3～0.4mol/L的盐酸，去除杂质离子，再然后分别将连接到直流电源正负极的电极板短接或反接，然后再将0.4～0.5mol/L碳酸钠通入到电容去离子模块中，流出电容去离子模块的溶液又通入电容去离子模块进行循环脱附处理，得到富钒液。
本实施例对含钒溶液处理情况如下表所示。
Figure BDA0001280096410000041
实施例3：
一种利用电容去离子技术分离富集五价钒的方法，其处理工艺的具体步骤如图1所示：
(1)制备负载碳纳米纤维：将10g的碳纳米纤维，加入100mL体积分数为10～15％的N263中，40～50r/min超声搅拌1～1.5h，经固液分离，将所得的固体用固体质量10～11.5倍的纯水洗涤，然后将洗涤后的固体在40～50℃下真空干燥3～4h，得到负载N263的碳纳米纤维。
(2)制备电极板：取步骤(2)中得到的5g负载碳纳米纤维，加入0.45～0.5的粘结剂聚偏氟乙烯PVDF，15～25mL的溶剂二甲基乙酰氨DMAC，120r/min超声搅拌1h，得到负载萃取剂材料浆体，再将负载萃取剂材料浆体喷覆在集电极高纯石墨片的两面，然后将集电极在55～65℃下真空干燥3～3.5h，得到电极板。
(3)处理含钒溶液：将10组(每组分为正负两极)电极板以极板间距0.7cm平行置于电容去离子模块中，将平行排列的电极板分别接通到直流电源正负极上，设定直流电源电压为1.7V，将待处理的含钒溶液通入电容去离子模块进行处理，控制含钒溶液在平行电极板间的流速为50～60cm/min，流出电容去离子模块的含钒溶液又通入电容去离子模块进行循环处理，含钒溶液的体积为1000mL，钒浓度为550mg/L，铁浓度为2915mg/L，铝浓度为2307mg/L，磷浓度220mg/L，含钒溶液pH为2.5。
(4)五价钒的脱附：当电极板达到吸附饱和后，将电容去离子模块中的含钒溶液排净，通入0.2～0.3mol/L的盐酸，去除杂质离子，再分别将连接到直流电源正负极的电极板短接或反接，然后再将0.5～0.6mol/L碳酸钠通入到电容去离子模块中，流出电容去离子模块的溶液又通入电容去离子模块进行循环脱附处理，得到富钒液。
本实施例对酸浸液处理情况如下表所示
Figure BDA0001280096410000051
采用上述技术方案，本发明主要基于负载碳材料电极电容去离子对含五价钒溶液中不同离子的吸附差异达到对钒进行分离富集的目的。本发明由于采用的是电容去离子方法，因此具有流程较短，操作简单的特点，负载萃取剂的碳电极对钒和杂质离子具有很好的分离效果；处理过程中通电电压仅为0.5～1.7V，且吸附过程无氧化还原反应，故能耗低；吸附处理过程不需要使用化学试剂，故药剂消耗量较小，对环境友好。

Claims (4)

1.利用电容去离子技术分离富集五价钒的方法，其特征在于所述方法的步骤是：
(1)制备负载碳材料：将碳材料与萃取剂按固液比(g/mL)1:10～100混合，所述萃取剂为N235、N263或N1923，超声搅拌1～3h，搅拌转速为40～70r/min，经固液分离，将所得的固体用固体质量10～15倍的纯水进行洗涤，然后将洗涤后的固体在40～65℃下真空干燥3～7h，得到负载碳材料；
(2)制备电极板：取步骤(1)中得到的负载碳材料，加入负载碳材料质量9％～17％的粘结剂，再按照负载碳材料与有机溶剂的固液比(g/mL)1:3～8加入有机溶剂，超声搅拌1～2h，搅拌转速120～130r/min，得到负载碳材料浆体，再将负载材料浆体均匀喷覆或涂抹在集电极两面，然后将集电极在40～65℃下真空干燥3～5h，得到电极板；
(3)处理含钒溶液：将多组电极板按间距0.3～0.7cm平行置于电容去离子模块中，将平行排列的电极板分别接通到直流电源正负极上，设定直流电源电压为0.5～1.7V，然后将待处理的含五价钒溶液通入电容去离子模块中进行处理，控制含五价钒溶液在平行电极板间的流速为20～60cm/min，流出电容去离子模块的含五价钒溶液又通入电容去离子模块进行循环处理；(4)五价钒的脱附：当电极板达到吸附饱和后，将电容去离子模块中的含五价钒溶液排净，再通入0.2～0.5mol/L的盐酸，去除杂质离子，再然后分别将连接到直流电源正负极的电极板短接或反接，然后再将0.3～0.6mol/L碳酸钠通入到电容去离子模块中，流出电容去离子模块的溶液又通入电容去离子模块进行循环脱附处理，得到富钒液；
所述的含五价钒溶液pH为1.5～2.5，溶液中钒元素以五价态的阴离子形式存在，钒浓度(以元素计)为500～3000mg/L，杂质离子铁浓度为50～5000mg/L，铝浓度为500～10000mg/L，磷浓度(以元素计)50～1000mg/L。
2.按权利要求1所述的利用电容去离子技术分离富集五价钒的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的碳材料为活性炭、碳气凝胶、碳纳米管、介孔碳、碳纳米纤维中的一种或几种。
3.按权利要求1所述的利用电容去离子技术分离富集五价钒的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的萃取剂体积分数为10％～30％，用于稀释萃取剂的溶剂为乙醇、乙醚、丙酮、石油醚中的一种或几种。
4.按权利要求1所述的利用电容去离子技术分离富集五价钒的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的一种，溶剂为二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、乙醇中的一种，集电极为高纯石墨片或涂层钛电极板。
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