CN114314660A - 一种通过还原沉钒脱硅制备低硅多钒酸铵的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及除硅和钒化合物制备领域,具体涉及一种通过还原沉钒脱硅制备低硅多钒酸铵的方法。该方法包括:提供含钒溶液;向所述含钒溶液中加酸,调节pH值至5‑6,加入还原剂进行还原反应,得到还原后的钒溶液;将所述还原后的钒溶液的pH值调节至2‑3,加入铵盐进行反应,待反应结束后,过滤得到沉钒滤饼,将滤饼用去离子水打浆洗涤,然后进行干燥。按照本发明所述的通过还原沉钒脱硅制备低硅多钒酸铵的方法,可以实现对含钒溶液进行深度脱硅,制备的APV中硅含量降至20ppm以下,除硅效果优异。
Description
技术领域
本发明涉及除硅和钒化合物制备领域,具体涉及一种通过还原沉钒脱硅制备低硅多钒酸铵的方法。
背景技术
多钒酸铵(APV)是工业生产五氧化二钒最常见的沉钒中间产物,其沉钒收率高、杂质含量低、铵盐消耗少,是制备钒铁、钒氮的主要钒原料之一,同时也是制备纯度更高的五氧化二钒理想钒源,硅是APV中的主要杂质元素,很大程度上影响着最终产品质量和应用范围。低硅APV推广实施后,可以使钒的应用领域向更高端新材料领域迅速迈进,比如,钒作为催化剂可用作玻璃和陶瓷工业的着色剂,作为电解液可以用作钒电池储能,作为二氧化钒相变材料可以用作新型温控智能窗等。钒基系列新材料的开发有助于提高企业在钒资源领域清洁和高值利用的水平,同时为我国信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料的发展贡献力量,支撑新材料产业的发展,带动一系列的产业创新,提升企业在行业中的影响力和核心竞争力,具有显著的经济和社会效益。
以碱性含钒浸出液为原料进行酸性铵盐沉钒是我国目前工业化生产五氧化二钒最主要的方法,在pH为2-3的条件下,于温度为75℃~100℃下,向溶液中加入铵根离子,钒则以六聚钒酸铵的形式沉淀析出,分子式(NH4)2V6O16,又称APV,该沉钒方法具有产品纯度高,沉钒速度快,钒收率高,残液含钒低,铵盐消耗少等优点,每产出1kg V2O5约消耗0.062kgNH3,仅为偏钒酸铵法耗氨量的1/3,硫酸耗酸量也较水解沉钒法少,因此APV也是钒的冶金化工领域中最主要的钒二次原料。但是该APV中Si的含量一般在0.02~0.12%,硅含量比较高,这也限制了钒在化工领域的应用,因此,工业级五氧化二钒目前主要应用于钒冶金行业中,而钒在非钢领域的占比还不足3%,制备低硅APV可以在很大程度上拓宽钒产品的应用,加速钒产业的发展。
以碱性含钒浸出液制备低硅APV,首先就需要除硅。目前,碱性含钒浸出液脱硅方法主要有化学除杂法、萃取法、离子交换法、静置沉淀法等。化学除杂法根据加入的除硅剂不同,分为铝盐除杂法、镁盐除杂法、钙盐除杂法、铁盐除杂法等,化学除杂法具有操作简易、成本低、钒损失率小、易于工业化生产等优点,但不足之处在于化学除杂的除杂能力有限,做不到深度除杂,易带入新的杂质,并且随着钒源所含杂质的种类和含量波动,采用化学除杂时不易控制除杂剂的加入量,导致除杂不彻底,最终产品质量不稳定。此外,个别除杂剂的加入会与钒反应,造成钒的大量损失;萃取法工艺路线相近,大致为含钒溶液“萃取-反萃-沉钒”或“酸化-还原-萃取-反萃”制备得到五氧化二钒及其他钒产品,萃取剂主要有磷酸二异辛基酯(P204)、中性磷脂中的磷酸三丁脂和碱性萃取剂中的伯、仲、叔胺和季胺等,萃取法因萃取剂昂贵、有机相溶剂易燃有毒、环境污染严重、萃取条件苛刻等,主要用于石煤、低钒钢渣、废催化剂等钒的回收;离子交换法是利用离子交换树脂与含钒溶液接触,使钒酸根离子与离子交换树脂上的活性官能团发生离子交换反应。吸附饱和后用解析剂将树脂上的钒解吸附出来,离子交换树脂大多为强碱性季胺型阴离子交换树脂。离子交换法由于具有很好的吸附效果和选择性,可有效地除去阳离子杂质。离子交换法存在操作烦琐,树脂解吸附与再生时产生大量废水,生产周期长并且生产能力小等弊端。同时,在离子交换过程中也会有少量杂质离子与活性官能团发生置换,因此不能达到完全净化的目的;静置沉淀法又称水解沉淀法,无需外加试剂只通过调节溶液的pH使得硅酸根发生水解形成硅酸多聚体,多聚体进一步缩合形成二氧化硅的微细胶粒,该方法只在酸性溶液中应用较多,静置沉淀法存在静置时间长、过滤困难、脱硅率低等缺点。现有的脱硅方法都存在脱硅率低、引入杂质、工艺流程复杂、成本高等一种或者多种问题,不能完全满足工业化生产高纯钒产品的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单、高效、低成本的脱硅并制备低硅APV的方法,该方法可以对含Si、Cr两种离子的含钒溶液进行深度脱硅,从而制得硅含量极低(20ppm以下)的APV产品。
为了实现上述目的,本发明提供了一种通过还原沉钒脱硅制备低硅多钒酸铵的方法,该方法包括以下步骤:
(1)提供含钒溶液,所述含钒溶液中含有Si和Cr;
(2)向所述含钒溶液中加酸,调节pH值至5-6,加入还原剂进行还原反应,得到还原后的钒溶液,其中,所述还原剂与所述含钒溶液中Cr的化学计量之比为1.2-6,所述还原反应的温度为50-100℃,时间为0.5-3h;
(3)将所述还原后的钒溶液的pH值调节至2-3,加入铵盐进行反应,待反应结束后,过滤得到沉钒滤饼,将滤饼用去离子水打浆洗涤,然后进行干燥,其中,按m(NH3):m(V)计的加铵系数为0.45-0.65,反应温度为75-100℃,反应时间为0.5-3h。
本发明创新性地提出了还原沉钒脱硅法,主要原理是在沉钒的过程中加入还原剂,发生还原反应的同时沉淀钒,得到钒的沉淀产物中Si会降低至20ppm以下。主要原理是还原剂优先和钒溶液中的六价铬离子发生反应,六价铬离子被还原为三价铬离子,而三价铬离子和硅的配位能力极其微弱。通常,钒的沉淀产物会吸附六价铬离子,所以六价铬离子会带入大约20ppm~100ppm的硅,而将六价铬还原为三价铬后,铬就失去了结合硅的能力,从而达到深度去脱硅的目的。
本发明与现有技术相比较具有以下优势:
(1)本发明实现了含钒溶液深度脱硅,APV中硅含量降至20ppm以下,除硅效果优异。
(2)本发明创新性的提出了还原沉钒脱硅的方法,无需外加脱硅剂,是一种绿色、高效、简单的脱硅工艺。
(3)与传统脱硅方法相比,本发明工艺简单易用、设备要求低、操作方便,非常适用于工业化生产。
(4)本发明制备的低硅APV,采用重溶法时更易制备得到高纯五氧化二钒,可以降低高纯五氧化二钒的制备成本。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明所述的通过还原沉钒脱硅制备低硅多钒酸铵的方法包括以下步骤:
(1)提供含钒溶液,所述含钒溶液中含有Si和Cr;
(2)向所述含钒溶液中加酸,调节pH值至5-6,加入还原剂进行还原反应,得到还原后的钒溶液,其中,所述还原剂与所述含钒溶液中Cr的化学计量之比为1.2-6,所述还原反应的温度为50-100℃,时间为0.5-3h;
(3)将所述还原后的钒溶液的pH值调节至2-3,加入铵盐进行反应,待反应结束后,过滤得到沉钒滤饼,将滤饼用去离子水打浆洗涤,然后进行干燥,其中,按m(NH3):m(V)计的加铵系数为0.45-0.65,反应温度为75-100℃,反应时间为0.5-3h。
在步骤(1)中,所述含钒溶液的制备过程可以包括:将含硅和铬的钒原料用去离子水或者碱浸出。所述含硅和铬的钒原料可以选自以下原料中的至少一种:钒钛磁铁矿冶炼过程产生的钒渣,钠化焙烧熟料,钒化工过程产生的多钒酸铵(APV)、偏钒酸铵(AMV)、多钒酸铵钠(SAV)、水解红饼或其他粗品钒氧化物,以及其他含钒矿物在提钒过程中产生的含硅和铬的钒渣或中间产物。在一种实施方式中,所述含钒溶液为碱性钒浸出液,所述碱性钒浸出液可以为攀钢钒制品厂生产的碱性钒浸出液。在另一种实施方式中,所述含钒溶液为冶金级五氧化二钒加氢氧化钠溶解,并体积定容后得到的含钒溶液。在另一种实施方式中,所述含钒溶液为钒铬尾渣熟料加氢氧化钠溶解,并体积定容后得到的含钒溶液。在另一种实施方式中,所述含钒溶液为粗品APV加氢氧化钠溶解,并体积定容后得到的含钒溶液。
在步骤(2)中,加入的酸可以为硫酸。
在步骤(2)中,所述还原剂可以为含钒还原剂、含硫还原剂和有机还原剂中的至少一种。具体的,所述含钒还原剂可以选自硫酸氧钒、硫酸钒、二氧氧钒、三氯化钒、草酸氧钒、二氧化钒、四氧化二钒、三氧化二钒以及其他含有三价钒、四价钒的无机或有机化合物。所述含硫还原剂可以选自二氧化硫、亚硫酸、亚硫酸钠、焦亚硫酸钠、硫代硫酸钠、硫化氢、硫化钠、硫氢化钠以及相同形式的钾盐、铵盐或者其他含低价硫的化合物。所述有机还原剂可以选自维生素C、草酸、甲酸、酒石酸、柠檬酸以及其他具有还原性的有机物。在优选情况下,所述还原剂为硫酸氧钒、焦亚硫酸钠和亚硫酸钠中的至少一种。
在步骤(2)中,加酸调节pH值至5-6,如5、5.5、6.0等。pH小于5时,加入的还原剂如果为含钒还原剂,如硫酸氧钒、硫酸钒,此类还原剂含有大量的硫酸,使最终沉钒的pH小于2,导致沉钒收率降低;pH大于6时,还原效率较低,还原剂的用量增加。
在步骤(2)中,所述还原剂与所述含钒溶液中Cr的化学计量之比为1.2-6,如1.2、3.0、4.5、6.0等。还原剂用量低于1.2时,六价铬还原不完全;用量高于6.0时,如采用非四价钒盐还原剂,会造成钒的过度还原和损失。
在步骤(2)中,所述还原反应的温度为50-100℃,如50℃、65℃、80℃、100℃等,温度低时,还原效率低。
在步骤(2)中,所述还原反应的时间为0.5-3h,如0.5h、1h、2h、3h等,时间过短,还原不完全。
在步骤(3)中,所述铵盐可以选自硫酸铵、氯化铵、碳酸铵、硫化铵、氨水、磷酸一氢胺、磷酸二氢铵和其他含铵根无机化合物中的一种或多种,优选硫酸铵。
在步骤(3)中,可以继续向所述还原后的钒溶液中加入硫酸,以将所述还原后的钒溶液的pH值调节至2-3,如2、2.3、2.6、3。
在步骤(3)中,按m(NH3):m(V)计,加铵系数为0.45-0.65,如0.45、0.5、0.55、0.65等。加铵系数低则钒沉淀率低,加铵系数高则铵盐损耗高,成本高。在本发明中,“加铵系数”是指加入铵盐中的NH3与含钒溶液中V的质量之比。
在步骤(3)中,加入铵盐后的反应过程为沉钒过程。该反应的温度为75-100℃,如75℃、85℃、95℃、100℃等。沉钒温度低时,不利于APV的沉淀洗出,沉钒率较低。该反应的时间为0.5-3h,如0.5h、1h、2h、3h等。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
在以下实施例和对比例中,APV目标产物中钒和硅的含量采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)检测。
实施例1
本实施例用于说明本发明所述的通过还原沉钒脱硅制备低硅多钒酸铵的方法。
量取500ml碱性含钒浸出液(取自攀钢钒制品厂,含Si-1.18g/L,Cr-2.15g/L,V-43.22g/L),滴加硫酸将所述碱性含钒浸出液的pH值调节至5.0,加入26ml浓度为2.85mol/L的硫酸氧钒溶液,在100℃下搅拌反应0.5h,反应结束后得到还原后的钒溶液。
再用硫酸将所述还原后的钒溶液的pH值调至2.0,升温至75℃,加入37.38g硫酸铵,继续搅拌反应3h后过滤,将滤饼用去离子水打浆洗涤两次,然后进行干燥,得到APV目标产物44.43g。该APV目标产物中钒的质量百分比为47.12%,硅含量为16ppm。
实施例2
本实施例用于说明本发明所述的通过还原沉钒脱硅制备低硅多钒酸铵的方法。
取100g冶金级五氧化二钒(取自攀钢钒制品厂,含V2O5 98.4%,Si0.026%,Cr0.165%),加氢氧化钠溶解,体积定容为1.1L,pH值为11.3(TV49.9g/L、Si 0.024g/L、Cr0.153g/L),加硫酸将溶液pH值调至5.5,加入1.38g焦亚硫酸钠,在温度80℃条件下搅拌反应1h,反应结束后得到还原后的钒溶液。
再用硫酸将所述还原后的钒溶液的pH值调至2.3,升温至85℃,加入89.81g氯化铵,继续搅拌反应2h后过滤,将滤饼用去离子水打浆洗涤两次,然后进行干燥,得到APV目标产物112.8g。该APV目标产物中钒的质量百分比为47.03%,硅含量为14ppm。
实施例3
本实施例用于说明本发明所述的通过还原沉钒脱硅制备低硅多钒酸铵的方法。
取50g钒铬尾渣熟料(取自攀钢钒制品厂,含V2O5-27.5%、Si-0.10%、Cr-0.12%、P-0.46%、Ca-1.21%),加氢氧化钠溶解,体积定容为250ml,pH值为12(TV 31g/L、Si-0.191g/L、Cr-0.242g/L、P-0.88g/L、Ca-2.37g/L),加硫酸将溶液pH值调至5.5,加入1.0g亚硫酸钠,在温度65℃条件下搅拌反应2h,反应结束后得到还原后的钒溶液。
再用硫酸将所述还原后的钒溶液的pH值调至2.6,升温至95℃,加入11.24g碳酸铵,继续搅拌反应1h后过滤,将滤饼用去离子水打浆洗涤两次,然后进行干燥,得到APV目标产物15.45g。该APV目标产物中钒的质量百分比为46.94%,硅含量为10ppm。
实施例4
本实施例用于说明本发明所述的通过还原沉钒脱硅制备低硅多钒酸铵的方法。
取100g粗品APV(取自攀钢钒制品厂,含TV 47.23%、Si 0.067%、Cr0.098%),加氢氧化钠溶解,体积定容为1.5L,pH值为12(TV 32.34g/L、Si 0.048g/L、Cr 0.065g/L),加硫酸将溶液pH值调至6.0,加入5.0g VC,在温度50℃条件下搅拌反应3h,反应结束后得到还原后的钒溶液。
再用硫酸将所述还原后的钒溶液的pH值调至3.0,升温至100℃,加入150.15g碳酸氢铵,继续搅拌反应0.5h后过滤,将滤饼用去离子水打浆洗涤两次,然后进行干燥,得到APV目标产物97.7g。该APV目标产物中钒的质量百分比为46.15%,硅含量为8ppm。
对比例1
本对比例用于说明当还原剂和铬的化学计量数之比不在本发明的范围之内时的制备方法。
根据实施例2的方法制备低硅多钒酸铵,所不同的是,还原剂焦亚硫酸钠的加入量为0.51g,此时还原剂焦亚硫酸钠与钒溶液中Cr的化学计量之比为1.1。
由此制备的APV目标产物中钒的质量百分比为47.87%,硅含量为73ppm。
对比例2
本对比例用于说明当还原剂和铬的化学计量数之比不在本发明的范围之内时的制备方法。
根据实施例2的方法制备低硅多钒酸铵,所不同的是,还原剂焦亚硫酸钠的加入量为2.81g,此时还原剂焦亚硫酸钠与钒溶液中Cr的化学计量之比为6.1。
由此制备的APV目标产物中钒的质量百分比为46.15%,硅含量为5ppm。
APV仅为72.6g,还原剂用量过高对产品纯度无太大影响,但钒收率会大幅下降。
由上述实施例和对比例可以看出,按照本发明所述的通过还原沉钒脱硅制备低硅多钒酸铵的方法,可以实现对含钒溶液进行深度脱硅,制备的APV中硅含量降至20ppm以下,除硅效果优异。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种通过还原沉钒脱硅制备低硅多钒酸铵的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
(1)提供含钒溶液,所述含钒溶液中含有Si和Cr;
(2)向所述含钒溶液中加酸,调节pH值至5-6,加入还原剂进行还原反应,得到还原后的钒溶液,其中,所述还原剂与所述含钒溶液中Cr的化学计量之比为1.2-6,所述还原反应的温度为50-100℃,时间为0.5-3h;
(3)将所述还原后的钒溶液的pH值调节至2-3,加入铵盐进行反应,待反应结束后,过滤得到沉钒滤饼,将滤饼用去离子水打浆洗涤,然后进行干燥,其中,按m(NH3):m(V)计的加铵系数为0.45-0.65,反应温度为75-100℃,反应时间为0.5-3h。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(1)中,所述含钒溶液的制备过程包括:将含硅和铬的钒原料用去离子水或者碱浸出。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述含硅和铬的钒原料选自以下原料中的至少一种:钒钛磁铁矿冶炼过程产生的钒渣,钠化焙烧熟料,钒化工过程产生的多钒酸铵、偏钒酸铵、多钒酸铵钠、水解红饼或其他粗品钒氧化物,以及其他含钒矿物在提钒过程中产生的含硅和铬的钒渣或中间产物。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(2)中,加入的酸为硫酸。
5.根据权利要求1或4所述的方法,其特征在于,在步骤(2)中,所述还原剂为含钒还原剂、含硫还原剂和有机还原剂中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述含钒还原剂选自硫酸氧钒、硫酸钒、二氧氧钒、三氯化钒、草酸氧钒、二氧化钒、四氧化二钒、三氧化二钒以及其他含有三价钒、四价钒的无机或有机化合物。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述含硫还原剂选自二氧化硫、亚硫酸、亚硫酸钠、焦亚硫酸钠、硫代硫酸钠、硫化氢、硫化钠、硫氢化钠以及相同形式的钾盐、铵盐或者其他含低价硫的化合物。
8.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述有机还原剂选自维生素C、草酸、甲酸、酒石酸、柠檬酸以及其他具有还原性的有机物。
9.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述还原剂为硫酸氧钒、焦亚硫酸钠和亚硫酸钠中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(3)中,所述铵盐选自硫酸铵、氯化铵、碳酸铵、硫化铵、氨水、磷酸一氢胺、磷酸二氢铵和其他含铵根无机化合物中的一种或多种。
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GR01 | Patent grant | ||
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