用堿性還原熔煉—水浸工藝從某釩鉛礦中提取釩

李建兵

(中色(寧夏)東方集團有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

釩鉛礦不溶于堿性溶液，但可被酸性溶液分解，因此，傳統的方法是用硫酸浸出釩。酸浸法的主要問題是：浸出時只能用強酸(pH<1),浸出同時有大量雜質元素進入溶液，后續除雜較困難；工藝流程長，耗酸量大，對設備要求也高；只回收有價金屬釩，而含量較高的鉛沒有得到回收，礦石綜合利用率較低[3-4]。

堿性還原熔煉是一種綠色冶金工藝，其以堿性熔鹽為介質，在遠低于傳統火法冶金溫度條件下熔煉多金屬礦石或二次資源，產出的液態金屬聚集于熔鹽下面，而固態產物及固態未反應物懸浮于熔鹽介質中形成熔煉渣[5-6]。該方法金屬直收率高、節能、環保[7-8]，已用于處理硫化鉍精礦、硫化鉛精礦[9-11]，從廢棄電路板及鋁灰中回收有價金屬[12-16]等。

試驗針對某釩鉛礦，研究了采用堿性還原熔煉—熱水浸出工藝提取釩，以期實現釩鉛礦的綜合利用。

1 試驗原料與設備

1.1 試驗原料

試驗所用釩鉛礦來自國外某選礦企業，粒度-0.15 mm，化學成分見表1。碳質還原劑為冶金級石墨粉，化學成分見表2。鈉鹽添加劑為分析純碳酸鈉。

表1 釩鉛礦的化學成分 %

表2 冶金級石墨粉的化學成分 %

1.2 試驗設備

滾筒球磨機(QM-5型)，旋轉式壓片機(ZP5A型)，馬弗爐(SZXB-54-1700型)，X射線熒光光譜儀(XRF,Shimadza XRF-1800型)。

2 試驗原理與方法

釩鉛礦中含釩礦物為釩酸鉛(3PbO-V2O5)。在高溫、堿性還原條件下，3PbO-V2O5的結構被破壞，鉛被還原為金屬鉛，釩呈游離態V2O5。V2O5是兩性氧化物，與碳酸鈉分解產生的Na2O結合生成可溶于水的釩酸鈉堿熔渣，實現與鉛的分離；再通過水浸轉入到溶液中[17]。還原熔煉反應為：

ΔH298=-45 kJ；

(1)

ΔH298=-10 kJ。

(2)

將釩鉛礦、石墨粉、碳酸鈉按一定比例混合均勻，用壓片機制成φ10 mm×6 mm的薄片。稱取400 g薄片放入剛玉坩堝中并放入馬弗爐進行熔煉，一定時間后取出，自然冷卻至室溫，得堿熔渣。

堿熔渣球磨破碎至150～180 μm，取40 g加入到燒杯中，按一定液固體積質量比加入純水，在一定溫度水浴中攪拌一定時間，之后過濾洗滌，濾渣烘干后分析其中釩質量分數，計算釩浸出率。

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3 試驗結果與討論

3.1 還原熔煉

還原熔煉效果以堿熔渣水浸效果表示。水浸條件：溫度80 ℃，時間60 min，液固體積質量比為3/1。

3.1.1 熔煉溫度對鉛釩渣熔煉的影響

鈉鹽添加量5%，熔煉時間60 min，熔煉溫度對釩浸出率的影響試驗結果如圖1所示。

圖1 熔煉溫度對釩浸出率的影響

由圖1看出：隨熔煉溫度升高，釩浸出率逐步提高；熔煉溫度超過1 200 ℃后，釩浸出率變化不大。通過式(3)得到碳還原PbO的理論開始溫度為570 K(297 ℃)。由于碳還原V2O5的過程為逐級還原，按V2O5、V2O4、V2O3、VO、V順序進行[18]，所以碳還原V2O5的開始溫度主要取決于VO的碳還原溫度。根據式(4)得到碳還原V2O5的開始溫度為1 794.77 K(1 521.77 ℃)。理論上，釩鉛礦熔煉溫度需高于碳還原PbO的理論開始溫度，低于碳還原V2O5的開始溫度，所以，釩鉛礦熔煉溫度以控制在1 200 ℃為宜，此條件下，釩浸出率約為81%，金屬鉛的揮發損失較少。

ΔG0=105 271-184.515T；

(3)

ΔG0=288 787-160.904T。

(4)

3.1.2 鈉鹽添加量對鉛釩渣熔煉的影響

熔煉溫度1 200 ℃，熔煉時間60 min，鈉鹽添加量對釩浸出率的影響試驗結果如圖2所示。

圖2 鈉鹽添加量對釩浸出率的影響

由圖2看出：隨鈉鹽添加量增加，釩浸出率先提高而后降低；鈉鹽添加量為5%時，釩浸出率達最高83.24%。釩鉛礦通過還原熔煉，其中PbO被碳(C)還原成金屬鉛，使得釩鉛礦結構被破壞，釩以V2O5形式游離出來，與碳酸鈉熱分解產生的Na2O結合成釩酸鈉[19]。碳酸鈉的加入不僅有助于破壞釩鉛礦的組織結構，還有利于提高鉛還原率。熔煉產生的堿熔渣密度小、熔點低、黏度小，有利于鉛的沉降及與熔渣分離。如果碳酸鈉用量過多，則容易形成不溶性釩青銅(NaV6O15)，造成釩損失[20]。綜合考慮，確定碳酸鈉添加量以5%為宜。

3.1.3 熔煉時間對鉛釩渣熔煉的影響

熔煉溫度1 200 ℃，鈉鹽添加量5%，熔煉時間對釩浸出率的影響試驗結果如圖3所示。可以看出：隨熔煉時間延長，釩浸出率逐漸提高；熔煉60 min后，釩浸出率趨于穩定變化不大。釩鉛礦的還原熔煉反應速度較快，控制在60 min即可。

圖3 熔煉時間對釩浸出率的影響

3.2 釩的浸出

將鈉鹽添加量5%、溫度1 200 ℃條件下熔煉60 min的釩渣用水浸出。

3.2.1 浸出溫度和時間對釩浸出率的影響

在液固體積質量比為3/1條件下進行浸出，浸出溫度和時間對釩浸出率的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 浸出溫度和時間對釩浸出率的影響

由圖4看出：隨溫度升高，釩浸出率提高，溫度高于80 ℃后，釩浸出率趨于穩定，隨溫度升高，釩酸鈉在溶液中的溶解度增大[21]，浸出率及浸出速度均提高；相同溫度條件下，隨浸出時間延長，釩浸出率逐步提高，浸出60 min后，浸出反應基本達到平衡，釩浸出率變化不大。

3.2.2 液固體積質量比對釩浸出率的影響

在浸出溫度80 ℃、浸出時間60 min條件下攪拌水浸，液固體積質量比對釩浸出率的影響試驗結果如圖5所示。可以看出：隨液固體積質量比增大，釩浸出率逐步提高；液固體積質量比為3/1時，釩浸出率為80.56%；液固體積質量比再增大，釩浸出率變化不明顯。隨液固體積質量比增大，液固兩相間的接觸面積增大，釩酸鈉分子從固相擴散到液相的距離變短，擴散速度加快，有利于浸出；但液固體積質量比過大，浸出液中釩質量濃度會下降，后續回收釩工序壓力增大[22-23]。綜合考慮，液固體積質量比以控制在3/1為宜。

圖5 液固體積質量比對釩浸出率的影響

4 結論

采用堿性還原熔煉—熱水浸出工藝從釩鉛渣中提取釩是可行的。該工藝流程簡單，釩回收率高，鉛分離效果較好。釩鉛渣在1 200 ℃下加適量碳酸鈉熔煉60 min，再用80 ℃熱水浸出60 min，控制液固體積質量比為3/1，釩浸出率可達83.24%，浸出效果較好。