Разработка технологии получения пятиокиси ванадия из минерального и техногенного сырья

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается возможность извлечения пятиокиси ванадия из минерального и техногенного сырья. На основе изучения данной тематики и анализа результатов проведенных исследований автор пришел к выводу, что среднетемпературный обжиг руды переводит ванадий в водорастворимый ванадат натрия (NaVO₃) и последующее выщелачивание металла с использованием серной кислоты повышает извлечение ванадия с 76,5 до 90,2%. Также было выявлено, что в процессе обжига ванадия в качества связующего материала наиболее эффективным реагентом является техническая сода. Установлено, что растворимость ванадата натрия более эффективна в сернокислой среде, чем в обычном водном выщелачивании продукта. Тем не менее определена и проработана специальная комбинированная технология селективного спекания и выщелачивания огарка – селективного осаждения ванадия и разделения его из ненужных примесей, прокалка осадка, которая обеспечивает высокое частотное получение V₂O₅ 98–99%.

ABSTRACT

This article discusses the possibility of extracting vanadium pentoxide from mineral and industrial raw materials. Based on the study of this topic and the analysis of the results of the studies, the author came to the conclusion that medium temperature roasting of the ore is carried out by vanadium water-soluble sodium vanadate (NaVO₃) and the subsequent leaching of the metal using sulfuric acid increases the vanadium extraction 76,5 to 90,2%. It was also revealed that in the process of firing vanadium as a binder material, the most effective reagent is technical soda. It was found that the solubility of sodium vanadate is more effective than the sulfuric acid medium than conventional aqueous leaching of the product. Nevertheless, a special combined technology of selective sintering and leaching of the cinder has been determined and worked out: the selective deposition of vanadium and its separation from unnecessary impurities and the calcination of the precipitate bring a high-frequency production of V₂O₅ of 98-99%.

Ключевые слова: отходы горно-металлургического производства, шлак, ванаденит, известняк, пятиокись ванадия, обжиг, выщелачивание, восстановление.

Keywords: mining and metallurgical waste, slag, vanadenite, limestone, vanadium pentoxide, roasting, leaching, recovery.

Сегодня проблема повышения освоения переработки техногенного сырья важна для горнодобывающей отрасли и включает в себя экономию невозобновляемых в природе минеральных ресурсов. По разведенным запасам ванадийсодержащие руды достаточны для широкомасштабного промышленного производства. При разработке технологии извлечения ванадия из руды за основу была взята технология первоначального обжига руды и последующего выщелачивания ванадия из огарка. Таким образом, разработанная технология (см. рис. 1) основана на обжиге руды ванадия с целью перевода ванадия в водорастворимый ванадат натрия (NaVO₃) и последующее выщелачивание металла с использованием серной кислоты, вследствие чего было повышено извлечение ванадия с 76,5 до 90,2%. В результате было выявлено, что технология обеспечивает возможность организации производства ванадия. Разработанная и освоенная в цехе сернокислотного производства Северного РУ технология получения пятиокиси ванадия из отработанных ванадиевых катализаторов не обеспечила требуемого количества V₂O₅. Поэтому источником получения ванадия в НГМК могут стать упорные ванадийсодержащие руды. Одним из таких месторождений является месторождение Маъдани (Рудное).

Перед отбором пробы для технологических исследований лабораторией были отобраны 9 проб с различных участков месторождения и проанализированы на содержание ванадия. Содержание ванадия в пробах находилось в пределах 2000–9900 г/т [5, с. 70]. Химический анализ пробы Р-9 представлен в табл. 1.

Таблица 1.

Химический состав ванадиевых руд

Механизм обжига ванадийсодержащих руд с NaCl или Na₂CO₃ состоит в следующем. При температуре 800–850 °С в окислительной атмосфере протекает реакция, и в результате реакции образуется перекись натрия Na₂О.

Рисунок 1. Технологическая схема извлечения пятиокиси ванадия из минерального и техногенного сырья

Газообразный хлор при этом удалятся. Образующаяся перекись Na₂О реагирует с ванадием по реакции [4, с. 23–25]:

2 NaCl +0,5О₂ = Na₂О + Cl₂

Na₂О + V₂O₅ = 2 NaVO₃

Образующийся в результате реакции ванадат натрия хорошо растворим в воде. Процесс обжига был проведен в разных температурных режимах 600–650–700–800 °С. В лабораторном опыте определено, что оптимальными условиями для обжига являются 700–750 °С в течение 4–5 ч и расходом реагента NaCl 8–10%. При температуре выше 750 °С шихта плавится за счет образования нерастворимых силикатов ванадия. Ниже 700 °С выход ванадия снижается [7, с. 16–33].

Для проведения опыта подготавливается шихта. Для этого в 100 г руды добавляется 5 г технической соды с последующим перемешиваем. Далее шихту загружается в муфельную печь. Процесс обжига был проведен в разных температурных режимах обжига от 600 до 850 °С в течение 2–5 часов. Результаты обжига приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Результаты кинетики обжига ванадийсодержащего сырья. Исходное содержание ванадия 6400 г/т; t = 700 °С. Расход технической соды NaCO₃ – 50 г/кг³

Из таблицы следует, что оптимальный параметр для обжига ванадиевых руд составляет 700 °С, при которым он хорошо связывается с технической содой с образованием ванадата натрия [6, с. 67–72].

После обжига образовавшийся продукт ванадат натрия следует по технологической схеме растворить в водном растворе, после чего нерастворяемая часть растворяется уже в сернокислотном растворе с целью полного перехода ванадия в состав раствора. Несмотря на простоту и экономичность схемы водного выщелачивания, он имеет единственный недостаток – относительно невысокое извлечение ванадия в раствор на операции выщелачивания (40–45%) [1, с. 30–36].

Пробы первого водного и сернокислотного выщелачиваний растворились, и результаты выщелачивания приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Результаты кинетики сернокислотного выщелачивания огарка. Условия опыта: H₂SO₄ = 55 г/л, Т:Ж = 1:3, α_исх(V) = 6400 г/т

Из таблицы следует, что огарок после обжига 650–700 °С выщелачивается при условиях 40–55 °С температуры и в соотношении фазы Т:Ж = 1:3 в кислых растворах с содержанием серной кислоты H₂SO₄ = 55 г/л.

В лабароторных исследованиях определены оптимальные параметры выщелачивания с продолжительностью процесса 2 часа. При этом выявлено, что степень растворимости (E, %) ванадия повышается на 42,1% за счет сернокислотного выщелачивания огарка, в отличие от водного выщелачивания. При этом сквозное извлечение ванадия (E, %) достигло 84,2%. Результаты сернокислотного выщелачивания огарка представлены в таблице 3.

Для определения оптимальных условий выщелачивания металла и остаточного ванадия из трех хвостов с остаточным содержанием ванадия была наработана проба хвостов с остаточным содержанием ванадия 0,51% (5100 г/т). Проба была наработана в установленных оптимальных условиях обжига руды и с последующим водным выщелачиванием огарка [3, с. 221–224].

Выщелачивание металла проводили с использованием серной кислоты в термостатированных реакторах с мешалками при скорости перемешивания n = 500 об/мин и Т:Ж = 1:3. По окончании выщелачивания пульпу отфильтровали, осадок промыли водой при соотношении Т:Ж = 1:3. Первый фильтрат и осадок (после сушки) были проанализированы. В таблице 4 приведены данные по кинетике выщелачивания ванадия при различных температурах и постоянной исходной концентрации (H₂SO₄) = 40 г/л.

Таблица 4.

Кинетика сернокислотного выщелачивания металла и ванадия из хвостов водного выщелачивания. Условия опыта: Т:Ж = 1:3; C_(H2SO4) = 40 г/л; τ = 2–4 часов; исходное содержание V = 5100 г/т

Как видно из таблицы 4, с точки зрения извлечения ванадия повышение температуры выщелачивания с 20–25 °С до 80–90 °С позволяет сократить время выщелачивания с 4 до 2 часов, при этом извлечение ванадия на операции сернокислотного выщелачивания возрастает с 76,5 до 90,2% [2, с. 165–167].

После перехода ванадия в раствор он направляется в процесс по осветлению с целью удаления мелкозернистых хвостов, и полученный продукт при помощи процесса фильтрации отделяется на фазы – кек и чистейший раствор ванадия. Кек выбрасывается в хвостохранилище. Раствор ванадия направляется на селективное осаждение ванадия с применением раствора аммиака. При этом извлекается комплекс ванадиевого осадка, освобожденный от ненужных вредных веществ. После чего осадок сушится при температуре 110–130 °С и направляется на последнюю стадию очистки от примесей при помощи прокалки. Прокаливаем продукт при 550–600 °С в течение 60–90 мин, в результате образуется песчаный V₂O₅ со степенью чистоты 98–99%, отвечающий требованию ГОСТа. Образовавщийся готовый пятиокись ванадия подвергли ИК-спекстроскопии с целью уточнения точного определения состава продукта.

Отличия предлагаемой технологии от существующей заключается в том, что ванадийсодержащие руды направляются на прямое выщелачивание без предварительного обжига, при котором наблюдается низкая степень растворимости основного металла, а также снижается сквозное извлечение ванадия. Применение сочетания водного и сернокислотного выщелачиваний огарка ванадия повышает объем выпускаемого материала в 2 раза, чем традиционная схема переработки ванадия непосредственным выщелачиванием руды. По разработанной технологии и результатам выполнения данной работы можно сделать следующие выводы:

– исследована и разработана упрощенная технология извлечения пятиокиси ванадия;

– определен оптимальный реагентный режим растворения огарка ванадия сернокислотным способом;

– первоначальное водное выщелачивание огарка с последующим сернокислотным выщелачиванием повысило степень извлечения ванадия до 42,1%, и при этом сквозное извлечение ванадия было повышено до 84,2%;

– cелективным осаждением ванадия гидроокисями аммония с последующей прокалкой получен очищенный V₂O₅ со степенью чистоты 98–99%, отвечающий требованию ГОСТа;

– разработана глубокая гидрометаллургическая очистка полученного пятиокисванадия;

– разработана новая технологическая схема переработки минерального и техногонного сырья с получением готового продукта.

Список литературы:
1. Вохидов Б.Р., Арипов А.Р., Мамараимов Ғ.Ф. Research of technological process of vanadium distribution in Uzbekistan // XI International correspondence scientific specialized conference «International scientific review of the technical sciences, mathematics and computer science» (Boston, USA, June 10–11 2019). – P. 30–36.
2. Вохидов Б.Р., Мамараимов Ғ.Ф. Ванадий ажратиб олишда замонавий танлаб эритиш усулларининг афзалликлари // XVI Республиканская научно-техническая конференция «Современные проблемы и перспективы химии и химико-металлургического производства» (22 ноября 2018 г.). – С. 165–167.
3. Вохидов Б.Р., Мамараимов Ғ.Ф. Ванадий бойитмасини ажратиб олишда куйдириш жараёнининг афзалликлари // XVI Республиканская научно-техническая конференция «Современные проблемы и перспективы химии и химико-металлургического производства» (22 ноября 2018 г.). – С. 221–224.
4. Киндяков П.С. Химия и технология редких и рассеянных элементов. – М. : Высшая школа, 1976. – Т. 3. – С. 23–25.
5. Санакулов К.С., Петухов О.Ф., Василенов О.П. Перспективы развития ванадиевого комплекса за рубежом и в Республике Узбекистан // Горный вестник Узбекистана. – 2017. – № 3 (70).
6. Ўзбекистон шароитида ванадий ва палладий ажратиб олишнинг технологик жараёнларини тадқиқ қилиш / А.С. Хасанов, Б.Р. Вохидов, А.Р. Арипов, Ғ.Ф. Мамараимов [и др.] // Композитционные материалы. – 2019. – № 1. – С. 67–72.
7. Химия и технология редких и рассеянных элементов / П.С. Киндяков, Б.Г. Коршунов, П.И. Федоров, И.П. Кисляков. – М. : Высшая школа, 1978. – С. 16–33.