電場強化石煤浸出提釩試驗研究

胡 洋 何東升 張 琦 張可成 朱志偉

（1.武漢工程大學興發(fā)礦業(yè)學院，湖北武漢430074；2.湖北堯治河化工股份有限公司，湖北襄陽441614）

釩是一種重要的戰(zhàn)略金屬，主要賦存于石煤、釩鈦磁鐵礦、鋁土礦、原油及瀝青中，具有優(yōu)異的物理化學性能，廣泛應用于電池、鋼鐵、催化劑、電子、陶瓷、玻璃等領域。我國釩礦資源豐富，釩總儲量約為1.35億t，其中石煤釩儲量約為1.18億t，占釩總儲量的87%，遠超世界上其他國家釩儲量的總和［1-3］。

作為我國特有的含釩資源，石煤通常采用酸浸工藝進行提釩，但該工藝提釩存在釩浸出率偏低的問題。相關技術人員通過焙燒［4-5］、添加助浸劑［6-10］、微波［11-13］、加壓［14-16］、超聲［17-18］、微生物［19-20］等諸多手段強化浸出過程，取得了一定的效果。

近年來，電場強化礦石浸出效果受到關注，研究發(fā)現(xiàn)，電場對尾礦浸出體系中溶質的遷移過程有明顯的積極影響，在電場作用下浸出體系被溶質穿透的速率加快［21］。李艷［22］、阿依努爾·努爾艾合買提［23］通過電場作用強化釩渣浸出過程，取得了較明顯的效果。本研究以陜西某地石煤釩礦為對象，硫酸為酸浸劑，探究適宜的浸出工藝參數(shù)；在適宜工藝條件下，開展電場強化浸出研究，并分析強化機理。

1 試樣性質、試驗裝置及方法

1.1 試樣性質

試驗礦樣取自陜西某縣，其化學多元素分析結果見表1。

由表1可知，試樣中主要有用成分V2O5含量為1.94%，主要成分為SiO2，其次為Al2O3和Fe2O3等。

1.2 試驗裝置及方法

圖1為電場強化浸出裝置。采用500 mL燒杯作為浸出容器，2 cm×2 cm石墨電極作為陰極，2 cm×2 cm鈦鉭電極作為陽極，極板間距20 cm，在燒杯底部添加一個小型磁力攪拌子輔助攪拌，轉速為600 r/min。

試驗時，先稱取一定質量礦粉、量取一定濃度的硫酸溶液倒入燒杯中，制成礦漿；隨后，將裝有礦漿溶液的燒杯置于恒溫水浴鍋，控制浸出溫度；施加不同強度的電場，進行攪拌浸出；浸出一定時間后，停止攪拌，取出燒杯，迅速抽濾，浸出渣烘干稱重，浸出液量體積，化驗釩含量。

2 試驗結果及討論

2.1 常規(guī)浸出條件試驗

2.1.1 硫酸濃度對釩浸出率的影響

控制浸出溫度為90℃，浸出時間4 h，液固比5∶1，考察硫酸濃度對釩浸出率的影響，結果見圖2。

由圖2可知，隨著硫酸濃度的增加，釩浸出率先升高后降低；當硫酸濃度為20%時，釩浸出率最高，為62.16%。這可能是因為硫酸濃度過高時，溶出更多雜質離子，浸出液黏度變大，降低了釩在溶液中擴散系數(shù)，進而影響浸出率；另一方面，雜質離子會與溶液中釩發(fā)生反應，生產不溶物，導致浸出率降低。因此，后續(xù)試驗選擇硫酸濃度為20%。

2.1.2 浸出溫度對釩浸出率的影響

控制硫酸濃度為20%，浸出時間4 h，液固比5∶1，考察浸出溫度對釩浸出率的影響，結果見圖3。

由圖3可知，提高浸出溫度，釩浸出率顯著升高；浸出溫度為50℃時，釩浸出率僅23.77%；浸出溫度為90℃時，釩浸出率達到61.24%。這是因為溫度提高，擴散速率提高，反應速度加快，單位時間內浸出率提高。綜合考慮浸出率和生產成本，后續(xù)試驗選擇浸出溫度為90℃。

2.1.3 液固比對釩浸出率的影響

控制硫酸濃度為20%，浸出溫度90℃，浸出時間4 h，考察液固比對釩浸出率的影響，結果見圖4。

由圖4可知，液固比從1∶1提高至9∶1時，釩浸出率先升高后降低；當液固比為7∶1時，釩浸出率最高，為62.27%。因此，后續(xù)試驗選擇液固比為7∶1。

2.2 石煤生料電場強化浸出試驗

控制硫酸濃度為20%，浸出溫度90℃，浸出時間4 h，液固比7∶1，考察電場強度對釩浸出率的影響，結果見圖5。對施加電場強度0～1 000 mA的浸出液進行開路電位、循環(huán)伏安曲線測試，結果分別見圖6、圖7。

由圖5可知，施加電場對釩浸出率有一定程度提高，在一定的電場范圍內施加的電場強度越高，釩浸出率越高。未施加電場時，釩浸出率僅為62.50%；電場強度為1 000 mA時，釩浸出率提高至67.32%。

由圖6、圖7可知，施加不同強度電場后，浸出體系的開路電位發(fā)生變化，施加電場強度越高，體系的開路電位越低，說明浸出體系的氧化還原電位發(fā)生降低。從循環(huán)伏安特性曲線還可以看出，浸出液中存在VO2+、VO2+，在電場的作用下分別被還原，出現(xiàn)2對氧化還原特征峰，施加的電場強度越高，其循環(huán)伏安峰電流強度也越高。

2.3 焙燒樣電場強化浸出試驗

采用常規(guī)酸浸法，施加電場強化浸出，在一定程度上可以提高釩浸出率，但釩浸出率仍小于70%。為進一步提高釩浸出率，采用高溫焙燒（焙燒溫度600℃、焙燒時間3 h）對礦物結構進行破壞，再施加電場進行強化浸出試驗。酸浸工藝的硫酸濃度20%、浸出溫度90℃、浸取時間4 h、液固比7∶1。電場強度對焙燒樣酸浸釩浸出率的影響見圖8。對施加電場強度0～1 000 mA的浸出液進行開路電位、循環(huán)伏安曲線測試，結果分別見圖9和圖10。

由圖8可知，對于焙燒礦樣，未施加電場時，釩浸出率為68.96%；增大電場強度，釩浸出率逐漸升高；當電場強度為1 000 mA時，釩浸出率達到71.31%，與未焙燒試樣相比，釩浸出率升高了3.99個百分點。觀察浸出液顏色發(fā)現(xiàn)，施加電場后浸出液顏色由淺綠色變?yōu)樗{色，說明焙燒使釩被氧化為更高價態(tài)。

由圖9、圖10可知，施加電場后，浸出體系的開路電位同樣發(fā)生了變化。電場強度越高，開路電位越低，反映出浸出體系的氧化還原電位降低。從循環(huán)伏安特性曲線可以看出，浸出液中存在VO2+、VO2+不同價態(tài)的釩離子，浸出體系中VO2+在電場作用下被還原，出現(xiàn)2對不同的氧化還原特征峰。

3 結論

（1）針對石煤原礦，在未施加電場時釩浸出率為62.50%；當施加電場為1 000 mA時，釩浸出率提高至67.32%。電場有助于提高釩浸出率。

（2）針對石煤焙燒樣，在未施加電場時，浸出率為68.96%；當施加電場強度為1 000 mA時，釩浸出率提高至71.31%。

（3）施加電場后，浸出液由淺綠色變?yōu)樗{色，釩被氧化為更高價態(tài)；浸出液中存在VO2+、VO2+不同價態(tài)的釩離子，浸出體系中VO2+在電場作用下被還原，出現(xiàn)2對不同的氧化還原特征峰。