CN110951967A - 一种微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波‑超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，属于有色金属湿法冶金技术领域。本发明针对国内传统工艺流程长、效率低等不足，提出了一种能短流程制备高纯五氧化二钒，且效率高的湿法处理方法，该方法将低功率微波萃取与超声波强化反萃有机结合，可实现短流程制备高纯五氧化二钒，钒的回收率可达到96~99%，高纯五氧化二钒产品纯度＞99.9%，使得高纯五氧化二钒制备工艺得以大幅度简化，生产效率高，成本降低，处理时间短，有利于节能减排和绿色生产，而且可以解决反萃过程中结晶堵塞管道的问题。

Description

一种微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法

技术领域

本发明属于有色金属湿法冶金技术领域，特别是涉及一种微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法。

背景技术

五氧化二钒在化工、冶金、航天、航空等领域有着广泛的应用，在国民经济、生产和日常生活中占有重要地位。随着冶金行业不断快速的发展，高强度特殊钒合金大量运用以及钒电池的成功开发、催化剂的广泛应用和功能材料的升级换代等，五氧化二钒的应用更加系列化、多样化和功能化，对五氧化二钒纯度的要求也从99.5%提高到99.9%。

高纯五氧化二钒的生产原料一般为提钒得到的工业级五氧化二钒、冶金级偏钒酸铵、多钒酸铵、浸出钒溶液等。无论是提钒直接得到的含钒溶液还是溶解粗钒（水溶、酸溶、碱溶）得到的含钒溶液，都含有大量杂质，其中主要杂质为固体颗粒、金属杂质、非金属杂质。现有高纯五氧化二钒制备工艺主要为湿法过程，以含钒溶液为原料，经化学沉淀、溶剂萃取或离子交换等方法实现净化，得到纯净的钒溶液后进行铵盐沉钒得到高纯多钒酸铵或偏钒酸铵沉淀，再经过煅烧分解得到高纯五氧化二钒粉体。但是传统工艺存在流程长、效率低等缺点，如何克服传统工艺的弊端，短流程制备高纯五氧化二钒是工艺改进的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备高纯五氧化二钒的方法，该方法针对传统工艺流程长、效率低等不足，利用微波-超声波联合处理含钒浸出液，可以有效缩短制备高纯五氧化二钒的工艺时间，并且提高钒的总回收率。

为了实现以上目的，本发明采用以下的技术方案：一种微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，包括以下步骤：

1）低功率微波萃取：

将碱性含钒浸出液与萃取剂混合，在低功率微波环境中进行微波萃取，得到负载有机相；

2）超声波强化反萃：

将所述负载有机相与反萃剂混合，在超声波反应器内进行超声波反萃，得到含钒混合液和剩余的负载有机相；

3）沉淀、分离、煅烧：

将所述含钒混合液进行沉淀处理，分离出固体，对所述固体进行煅烧，得到纯度＞99.9%的高纯五氧化二钒产品。

作为一种优选的实施方案，步骤1）中，所述碱性含钒浸出液为含钒的氢氧化钠水溶液，其中钒的浓度为8.5~16g/L，所述碱性含钒浸出液的pH值为8.5~9.0。

作为一种优选的实施方案，步骤1）中，所述萃取剂为季铵盐类萃取剂、仲辛醇和煤油的混合萃取体系，所述混合萃取体系中季铵盐类萃取剂质量百分比含量为10~30%，仲辛醇质量百分比含量为5~15%；所述混合萃取体系与所述碱性含钒浸出液混合后，其中有机相与水相的体积比为1:1~3:1，萃取级数为1~4级；优选地，所述季铵盐类萃取剂为N263（即氯化甲基三烷基铵）和/或MOTAC（即三辛基甲基氯化铵）。

作为一种优选的实施方案，步骤1）中，所述微波萃取的条件为：微波频率为900~3500MHz，微波功率为50~100W，温度为25~30℃，萃取时间为0.5~1.5min。

作为一种优选的实施方案，步骤2）中，所述反萃剂为氯化铵水溶液，其中氯化铵浓度为80~180g/L。

作为一种优选的实施方案，步骤2）中，所述负载有机相与反萃剂混合后，其中有机相与水相的体积比为1:3~5:1，反萃级数为1级。

作为一种优选的实施方案，步骤2）中，所述超声波反萃的条件为：超声波频率为25~40kHz，超声波功率为300~1000W，温度为15~30℃，反萃时间为1~3min。

作为一种优选的实施方案，步骤3）中，所述沉淀处理为：对含钒混合液进行搅拌，出现沉淀后至沉淀完全，即可。

作为一种优选的实施方案，步骤3）中，所述搅拌的速度为250~350rpm，搅拌时间为5~15min。

作为一种优选的实施方案，步骤3）中，所述煅烧的条件为：煅烧温度为500~600℃，煅烧时间为1~2h。

步骤2）中，剩余负载有机相可采用传统钠盐反萃工艺处理，可得到纯度＞99%的五氧化二钒产品。

微波反应器可以加热，将微波电磁能转变成为热能加以利用。本发明申请人发现，微波也与物质内部分子的极化关系密切相关，具有正负极的极化分子在电磁场中趋向有序化排列，随着微波电磁场方向的快速变化，极化分子不断快速摇摆变化，并发生高频振荡和分子运动。本发明是根据萃取体系中不同组分的极性不同，由于微波的特殊场效应，萃取体系中不同吸波能力的组分之间能够产生不同的微波效应，包括热力学和动力学的影响，本发明选取的萃取剂在微波作用下能够明显提高萃取活性，促进萃取反应的进行，提高了萃取效率。在本发明中应控制在低功率微波条件下进行萃取。微波萃取后在超声波环境中进行反萃，反萃体系采用氯化铵溶液作为反萃剂，传统反萃过程中容易形成结晶堵塞管道，而超声波技术能够克服此困难，由于超声波独特的机械效应、热效应和空化效应，不仅可以解决堵塞问题，而且反萃效率也能得到提高。

经试验发现，采用微波和超声波联合处理碱性含钒溶液，二者有明显的协同效果。分析原因可能为：微波场中，离子可以定向的方式流动，产生离子电流，经过微波处理后的负载有机相，化学键键能发生了变化，在超声波的作用下，反萃效果更佳，反应更加快速，反萃时间缩短，极大地提高了反萃效率。

本发明提供的微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，将低功率微波萃取与超声波强化反萃进行联合，可实现短流程制备高纯五氧化二钒，钒的回收率可达到96~99%，得到的高纯五氧化二钒产品纯度＞99.9%，使得高纯五氧化二钒制备工艺得以大幅度简化，生产效率高，成本降低，处理时间短，有利于节能减排和绿色生产。

具体实施方式

下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

以下实施例和对比例中所用的原料均为国内某废石化催化剂碱性浸出产生的溶液，具体为碱性含钒浸出液，即为含钒的氢氧化钠溶液，其中V浓度为8.5~15.6g/L，pH值为8.5~9.5。

实施例1

本实施例中微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，步骤如下：

1）低功率微波萃取：

将碱性含钒浸出液与萃取剂混合置于微波炉中萃取，微波频率为2450MHz，微波功率为70W，控制温度为25℃，时间1.5min，得到负载有机相；

处理碱性含钒浸出液中V浓度为12.8g/L；采用萃取剂为季铵盐类萃取剂N263、仲辛醇和煤油的混合溶液，萃取剂N263浓度为10%，仲辛醇浓度为5%，混合萃取溶液与碱性含钒浸出液混合后，其中有机相与水相的体积比为3:1，萃取级数为1级；

2）超声波强化反萃：

将负载有机相与反萃剂混合置于超声波反应器中反萃，反萃剂为氯化铵溶液，氯化铵浓度为90g/L，负载有机相与反萃剂混合后，其中有机相与水相的体积比为1:1，反萃级数为1级；超声波频率为25kHz，超声波功率为1000W，常温（约25℃），时间1min，得到浑浊含钒溶液，分离得到含钒混合液和剩余的负载有机相；

3）搅拌、过滤、煅烧（即沉淀、分离、煅烧）：

对含钒混合液进行搅拌，搅拌速度300rpm，搅拌时间15min；出现沉淀，然后固液分离，对固体进行煅烧，煅烧温度550℃，时间1.5h，得到纯度＞99.9%的高纯五氧化二钒产品，钒的回收率为82%。

剩余的负载有机相采用传统钠盐反萃工艺处理，得到纯度＞99%的五氧化二钒产品。

本实施例中碱性含钒浸出液经过处理后，钒的总回收率为96%。

实施例2

本实施例中微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，步骤如下：

1）低功率微波萃取：

将碱性含钒浸出液与萃取剂混合置于微波炉中萃取，微波频率为900MHz，微波功率为50W，控制温度为27℃，时间1min，得到负载有机相；

处理的碱性含钒浸出液中V浓度为10.6g/L；采用萃取剂为季铵盐类萃取剂MOTAC、仲辛醇和煤油的混合溶液，萃取剂MOTAC浓度为20%，仲辛醇浓度为10%，混合萃取溶液与碱性含钒浸出液混合后，其中有机相与水相的体积比为2:1，萃取级数为2级；

2）超声波强化反萃：

将负载有机相与反萃剂混合置于超声波反应器中反萃，反萃剂为氯化铵溶液，氯化铵浓度为80g/L，负载有机相与反萃剂混合后，其中有机相与水相的体积比为1:3，反萃级数为1级；超声波频率为30kHz，超声波功率为300W，常温（约25℃），时间2min，得到浑浊含钒溶液，分离得到含钒混合液和剩余的负载有机相；

3）搅拌、过滤、煅烧：

对含钒混合液进行搅拌，搅拌速度300rpm，搅拌时间5min；出现沉淀，然后固液分离，对固体进行煅烧，煅烧温度500℃，时间2h，得到纯度＞99.9%的高纯五氧化二钒产品，钒的回收率为81%。

剩余的负载有机相采用传统钠盐反萃工艺处理，得到纯度＞99%的五氧化二钒产品。

本实施例中碱性含钒浸出液经过处理后，钒的总回收率为95%。

采用微波-超声波协同的方法处理含钒浸出液，不仅能够提高生产效率和产品纯度，而且可以解决反萃过程中结晶堵塞管道的问题。

实施例3

本实施例中微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，步骤如下：

1）低功率微波萃取：

将碱性含钒浸出液与萃取剂混合置于微波炉中萃取，微波频率为3500MHz，微波功率为80W，控制温度为28℃，时间0.5min，得到负载有机相；

处理碱性含钒浸出液中V浓度为8.5g/L；采用萃取剂为季铵盐类萃取剂N263、仲辛醇和煤油的混合溶液，萃取剂N263浓度为30%，仲辛醇浓度为15%，混合萃取溶液与碱性含钒浸出液混合后，其中有机相与水相的体积比为1:1，萃取级数为4级；

2）超声波强化反萃：

将负载有机相与反萃剂混合置于超声波反应器中反萃，反萃剂为氯化铵溶液，氯化铵浓度为180g/L，负载有机相与反萃剂混合后，其中有机相与水相的体积比为5:1，反萃级数为1级；超声波频率为35kHz，超声波功率为500W，常温（约25℃），时间3min，得到浑浊含钒溶液，分离得到含钒混合液和剩余的负载有机相；

3）搅拌、过滤、煅烧：

对含钒混合液进行搅拌，搅拌速度300rpm，搅拌时间10min；出现沉淀，然后固液分离，对固体进行煅烧，煅烧温度600℃，时间1h，得到纯度＞99.9%的高纯五氧化二钒产品，钒的回收率为85%。

剩余的负载有机相采用传统钠盐反萃工艺处理，得到纯度＞99%的五氧化二钒产品。

本实施例中碱性含钒浸出液经过处理后，钒的总回收率为97%。

实施例4

本实施例中微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，步骤如下：

1）低功率微波萃取：

将碱性含钒浸出液与萃取剂混合置于微波炉中萃取，微波频率为1500MHz，微波功率为100W，温度为30℃，时间1min，得到负载有机相；

处理碱性含钒浸出液中V浓度为15.6g/L；采用萃取剂为季铵盐类萃取剂N263、仲辛醇和煤油的混合溶液，萃取剂N263浓度为25%，仲辛醇浓度为10%，混合萃取溶液与碱性含钒浸出液混合后，其中有机相与水相的体积比为2:1，萃取级数为3级；

2）超声波强化反萃：

将负载有机相与反萃剂混合置于超声波反应器中反萃，反萃剂为氯化铵溶液，氯化铵浓度为100g/L，负载有机相与反萃剂混合后，其中有机相与水相的体积比为2:1，反萃级数为1级；超声波频率为25kHz，超声波功率为700W，常温（约25℃），时间2min，得到浑浊含钒溶液，分离得到含钒混合液和剩余的负载有机相；

3）搅拌、过滤、煅烧：

对含钒混合液进行搅拌，搅拌速度300rpm，搅拌时间15min；出现沉淀，然后固液分离，对固体进行煅烧，煅烧温度550℃，时间1.5h，得到纯度＞99.9%的高纯五氧化二钒产品，钒的回收率为83%。

剩余的负载有机相采用传统钠盐反萃工艺处理，得到纯度＞99%的五氧化二钒产品。

本实施例中碱性含钒浸出液经过处理后，钒的总回收率为98%。

本发明还提供了一个对比例，与实施例4进行比较。

对比例

本对比例中高纯五氧化二钒的制备方法，步骤如下：

1）萃取：

将碱性含钒浸出液与萃取剂混合置于萃取器中萃取，温度为30℃，时间10min，得到负载有机相；

处理碱性含钒浸出液同实施例4；采用萃取剂为季铵盐类萃取剂N263、仲辛醇和煤油的混合溶液，萃取剂N263浓度为25%，仲辛醇浓度为10%，混合萃取溶液与碱性含钒浸出液混合后，其中有机相与水相的体积比为2:1，萃取级数为3级；

2）反萃：

将负载有机相与反萃剂混合置于萃取器中反萃，反萃剂为氯化铵溶液，氯化铵浓度为100g/L，负载有机相与反萃剂混合后，其中有机相与水相的体积比为2:1，反萃级数为1级；常温（约25℃），时间10min，得到浑浊含钒溶液，分离得到含钒混合液和剩余的负载有机相；

3）搅拌、过滤、煅烧：

对含钒混合液进行搅拌，搅拌速度300rpm，搅拌时间15min；出现沉淀，然后固液分离，对固体进行煅烧，煅烧温度550℃，时间1.5h，得到纯度＞99.9%的高纯五氧化二钒产品，钒的回收率为32%。

剩余负载有机相采用传统钠盐反萃工艺处理，得到纯度＞99%的五氧化二钒产品。

本对比例中碱性含钒浸出液经过处理后，钒的总回收率为56%。

与对比例相比，采用本发明的方法，钒的总回收率提高了40~43个百分点，并且反应时间大大缩短。

以上实施例提供的高纯五氧化二钒的制备方法，萃取时间仅需要0.5~1.5min，反萃时间仅需要1~3min，并且还显著提高了钒的总回收率，取得了预料不到的技术效果。

Claims (10)

1.一种微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）低功率微波萃取：

将碱性含钒浸出液与萃取剂混合，在低功率微波环境中进行微波萃取，得到负载有机相；

2）超声波强化反萃：

将所述负载有机相与反萃剂混合，在超声波反应器内进行超声波反萃，得到含钒混合液和剩余的负载有机相；

3）沉淀、分离、煅烧：

将所述含钒混合液进行沉淀处理，分离出固体，对所述固体进行煅烧，得到纯度＞99.9%的高纯五氧化二钒产品。

2.根据权利要求1所述的微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，其特征在于：步骤1）中，所述碱性含钒浸出液为含钒的氢氧化钠水溶液，其中钒的浓度为8.5~16g/L，所述碱性含钒浸出液的pH值为8.5~9.0。

3.根据权利要求1或2所述的微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，其特征在于：步骤1）中，所述萃取剂为季铵盐类萃取剂、仲辛醇和煤油的混合萃取体系，所述混合萃取体系中季铵盐类萃取剂质量百分比含量为10~30%，仲辛醇质量百分比含量为5~15%；所述混合萃取体系与所述碱性含钒浸出液混合后，其中有机相与水相的体积比为1:1~3:1，萃取级数为1~4级；所述季铵盐类萃取剂为N263和/或MOTAC。

4.根据权利要求3所述的微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，其特征在于：步骤1）中，所述微波萃取的条件为：微波频率为900~3500MHz，微波功率为50~100W，温度为25~30℃，萃取时间为0.5~1.5min。

5.根据权利要求4所述的微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，其特征在于：步骤2）中，所述反萃剂为氯化铵水溶液，其中氯化铵浓度为80~180g/L。

6.根据权利要求5所述的微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，其特征在于：步骤2）中，所述负载有机相与反萃剂混合后，其中有机相与水相的体积比为1:3~5:1，反萃级数为1级。

7.根据权利要求6所述的微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，其特征在于：步骤2）中，所述超声波反萃的条件为：超声波频率为25~40kHz，超声波功率为300~1000W，温度为15~30℃，反萃时间为1~3min。

8.根据权利要求1或7所述的微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，其特征在于：步骤3）中，所述沉淀处理为：对含钒混合液进行搅拌，出现沉淀后至沉淀完全，即可。

9.根据权利要求8所述的微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，其特征在于：步骤3）中，所述搅拌的速度为250~350rpm，搅拌时间为5~15min。

10.根据权利要求9所述的微波-超声波联合制备高纯五氧化二钒的方法，其特征在于：步骤3）中，所述煅烧的条件为：煅烧温度为500~600℃，煅烧时间为1~2h。