ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ВАНАДИЯ ИЗ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ (ОВК-ОТРАБОТАННЫЙ ВАНАДИЕВЫЙ КАТАЛИЗАТОР)

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается возможность извлечения пятиокиси ванадия из техногенных отходов (овк-отработанный ванадиевый катализатор).

ABSTRACT

This article discusses the possibility of extracting vanadium pentoxide from industrial waste (ovc-spent vanadium catalyst).

Ключевые слова: катализатор, ванадий, концентрат, раствор, отход, выщелачивание.

Keywords: catalyst, vanadium, concentrate, solution, waste, leaching.

Пентаоксид ванадия еще с большей эффективностью может быть выделен из отработанного катализатора, который применяем при производстве серной кислоты Северного РУ НГМК. В данное время разработана технология получения пятиокиси ванадия из отработанных ванадиевых катализаторов. Отработанные ванадиевые катализаторы (OBK) являются одним из лучших видов вторичного сырья для извлечения из них ванадия и производства V₂O₅ и его производных (катализаторов, феррованадатов и др.). Необходимость использовать в качестве источника ванадия ОВК обуславливается также тем, что сбрасываемые в отвал отработанные катализаторы вызывают загрязнение окружающей среды высокотоксичными соединениями ванадия. Ежегодно в мире образуется порядка 35 тыс. тонн. ОВК.

Пирометаллургические способы переработки ОВК предусматривают их обжиг для удаления и утилизации сернистого газа, с последующей выплавкой в электропечи кремеванадиевого сплава и получения вяжущего материала на основе возгонов оксидов щелочных металлов и кремния. По другому способу рекомендуется обжигать ОВК и утилизировать сернистый газ, затем из остатков получать ванадийкальциевый концентрат, а из растворов готовить удобрения.

Описана также технология, по которой выщелачивание производят 7-12%-ным раствором формалина (отход производства орловского химического завода). Такое восстановительное выщелачивание позволяет максимально извлечь ванадий из ОВК. В качестве окислителя предлагается использовать газообразный хлор из баллона или барботаж воздухом в щелочной среде (рН=8,5-9,0). Технология оказалась малоэффективной, извлечение ванадия составило 85 %, а содержание в готовом продукте V₂O₅ < 80 %[1 C.43-47].

Разработана и внедрена на ПО “Востокред-мет” (Таджикистан) технология утилизации ОВК, позволяющая получать товарный оксид ванадия и жидкие удобрения. Технология включает сернокислотное выщелачивание ванадия из ОВК, осаждение чернового концентрата аммиаком при pH=2-8, растворение осадка щёлочью, подкисление щелочного раствора серной кислотой до pH 1,5-2,0, термогидролиз, конверсию образовавшегося осадка и нитратом аммония и прокалку ванадата аммония до V₂O₅. Технология отличается многооперационностью и большим расходом реагентов. Содержание в готовом продукте V₂O₅ примерно 90 %.

В настоящей работе освещены основные результаты исследований по разработке технологии переработки ОВК. Опытно-промышленные испытания новой технологии переработки ОВК, проведённые в НИЛ НГГТУ ОВК, были получены из цеха сернокислотного производства Северного РУ, полученные результаты подтвердили возможность получения пятиокиси ванадия с содержанием V₂O₅ 94-98 %.

В табл. 1 представлены данные по содержанию V₂O₅ и некоторых примесей в исходных катализаторах, ОВК и готовой продукции согласно нормативным документам и фактическим данным.

Исследование и обсуждение результатов переработки отработанных ванадиевых катализаторов

Воспользовавшись наличием отработанного ванадиевого катализатора, состав которого нам известен, мы сначала растворили его в исходном гранулированном состоянии в разбавленном растворе серной кислоты концентрацией 45 г/л на магнитной мешалке при температуре 20-25°С, Т:Ж=1:3, в слабокислой среде в течение 2-3 часов. Эксперимент проводился через разные промежутки времени и максимальный уровень растворения был достигнут через 3 часа. Растворенное соединение сульфата ванадия промывали вакуумным фильтром, сушили и отбрасывали. Раствор ванадия осаждали 25% водным раствором аммиака при температуре 20-25°С в течение 3 часов.

Таблица 1.

Исходное содержание ОВК, готовый продукт и ОВК

Ванадий присутствует в ОВК в степени окисления как V⁺⁴, так и V⁺⁵.

Полученный осадок с ванадатом аммония фильтровали, сушили при температуре 105-110⁰С в течение 1-го часа и нагревали в муфельной печи при температуре 500-550⁰С в течение 1,5 часов, и в конце работы получали чистый осадок V₂O₅.

Рисунок 1. Зависимость времени выщелачивания ОВК от степени растворимости продукта

Исследования по кинетики выщелачивания ванадия из ОВК проводили в титановом реакторе, снабжённом электромеханической мешалкой с числом оборотов, п = 500 r/min. Выщелачивание проводили раствором серной кислоты с концентрацией H₂SO₄ 45 g/1, при температуре 20-25 ⁰С и отношении Т:Ж = 1:3. По окончании выщелачивания пульпу фильтровали под вакуумом, и осадок промывали водой из расчёта Ж:Т = 3:1. Осадок сушили при температуре 60 ⁰С и анализировали. Первоначально изучали кинетику сернокислотного выщелачивания ванадия из ОВК с измельчением и без измельчения исходного продукта.

Рисунок 2. Зависимость времени выщелачивания ОВК от степени растворимости продукта при разных крупностях материала

Задачей являлось оценить целесообразность предварительного измельчения ОВК с точки зрения извлечения ванадия в раствор. Результаты представлены в рис.2. Эксперимент проводим с использованным ванадиевого катализатора, измельченного до 0,1 мм, и концентрацией растворителя H₂SO₄=50 г/л.

ОВК измельчали до размера 0,1 мм и выборочно растворяли в растворе H₂SO₄ концентрацией 50 г/л на магнитной мешалке при температуре 20-25⁰С, в соотношении Т:Ж=1:3. в слабокислой среде в течение 2-3 часов. Эксперимент проводился через разные промежутки времени и максимальный уровень растворения был достигнут через 3 часа.

Таблица 2.

Кинетика выщелачивания ванадия из ОВК в серной кислоте. Начальная концентрация серной кислоты H₂SO₄=50 г/л.

Растворенное соединение сульфата ванадия отфильтровывали на вакуум-фильтрах, осадок промывали, сушили и отбрасывали. Раствор ванадия осаждали 25% водным раствором аммиака при температуре 20-25°С в течение 3 часов.

Рисунок 3. Зависимость времени выщелачивания ОВК от степени растворимости продукта, исходный, неизмельчённый

Полученный осадок с ванадатом аммония фильтровали, сушили при температуре 105-110⁰С в течение 1 часа и нагревали в опытной муфельной печи при температуре 500-550⁰С в течение 1,5 часов, при этом в конце опыта получили чистый осадок, и был получен V₂O₅. Результаты приведены в таблице 28 и на графике зависимости процесса выщелачивания от времени описывается кривой на рисунке 3.

Рисунок 4. Зависимость времени выщелачивания ОВК от степени растворимости продукта, измельчённый ОВК

Фильтрование пульпы после выщелачивания ОВК проводили на воронке Бюхнера под вакуумом. В качестве фильтровальных тканей использовали полипропиленовую ткань и ткань хлорин.

Получение ванадата аммония из чернового ванадиевого концентрата проводили следующим образом. Полученный промытый черновой концентрат растворяли при Ж:Т=15-17:1 в растворе аммиака с концентрацией 10-15 g/1, при температуре 60-70 ⁰С в течение 2-3 h. Полученную суспензию фильтровали. Ванадат аммония получали методом высаливания. Для этого в аммиачный раствор добавляли сухой нитрат аммония из расчёта 100 g/1. После медленного перемешивания в течение 15-20 мин раствор выстаивали до выпадения из него ванадата аммония. Полученный ванадат аммония отделяли от раствора фильтрованием. Полученный осадок ванадата аммония сушили и прокаливали в фарфоровом тигле в муфельной печи при температуре 550-6000С в течение 1,5 h. В результате получили пентаксид ванадия, который соответствует ТУ 48-4-429-82 марки ВнО-2.

Рисунок 5. Предлагаемая технологическая схема переработки отработанного ванадиевого катализатора с получением пентоокиси ванадия

В результате выщелачивания отработанного ванадиевого катализатора в растворе H₂SO₄ концентрацией 50 г/л степень извлечение была увеличена до 6,1%, а общая сквозная извлечения ванадия доведена до 86,1%. Учитывая высокую цену сырья для ванадиевых катализаторов, получение высококачественного продукта за счет комплексного использования сырья открывает новые возможности для экономики страны[3 c44].

Рисунок 6. Схема цепи аппаратов переработка отработанного ванадиевого катализатора с получением пентоокись ванадия

После ряда исследований разработаны оптимальные технологические параметры и технологическая схема переработки ОВК с извлечением чистейшего пентоокись ванадия, смотрите рисунке 5, также схема цепи аппаратов, для использования в производственных масштабах.

Продолжительность получения любого металла зависит от физико-химического свойства самого металла, установления верных технологических процессов и подбора оптимальных режимов для операций. В результате анализа технологических параметров можно сделать вывод, что при общей сложности 8 процессах получении чистейшего пентоокиси ванадия была выбрана правильная технологическая последовательность процессов и их оптимальные режимы.

В результате выщелачивания отработанного ванадиевого катализатора в растворе H₂SO₄ концентрацией 50 г/л степень извлечение была увеличена до 6,1%, а общая сквозная извлечения ванадия доведена до 86,1%. Учитывая высокую цену сырья для ванадиевых катализаторов, получение высококачественного продукта за счет комплексного использования сырья открывает новые возможности для экономики страны. После серии исследований разработаны оптимальные технологические параметры и технологическая схема переработки ОВК с извлечением чистейшего пентоокись ванадия.

Список литературы:

1. А.С.Хасанов, Б.Р. Вохидов, Г.Ф.Мамараимов Разработка технологии получения ванадия из минерального и техногенного сырья// Universum: технические науки: электронный научный журнал., 2022. 12(105). C.43-47.
2. Винаров И. В., Владимирова О. В., Починок И. В., Янкелевич Р. Г. Регенерация ценных компонентов отработанного катализатора окисления SO2 – СВД // Комплексное использование минерального сырья. – №6(168). – 1992. – С. 77.
3. Б.Р.Вохидов // Автореферат диссертационное работы // Разработка и усовершенствование технология извлечения редких и благородных металлов из различного сырья // Ташкент 2022 г. – С.44.
4. Г.Ф.Мамараимов, А.С.Хасанов, Б.Р. Вохидов Извлечения ванадия из техногенных ресурсов// Universum: технические науки: электронный научный журнал., 2022. 12(105). C.53-57.
5. Винаров, И.В. Регенерация ценных компонентов отработанного катализатора окисления SO2– СВД [Текст] / И. В. Винаров, О. В. Владимирова, И. В. Починок, Р. Г. Янкелевич // Комплексное использование минерального сырья. - 19 - № 6 (168). - С. 77.