外场微波选择性热效应下页岩钒提取工艺及机理研究

发布时间：2020-06-30 03:55

【摘要】：我国是世界上最大的钒生产、消费和供应国。钒页岩是我国一种特有的重要含钒资源,页岩提钒是我国钒资源开发利用极具优势的重要途径。钒页岩中的钒大部分以V(III)的形式稳定存在于云母类矿物的晶格中,难以提取。通常需经过高温焙烧对含钒云母的结构进行预破坏,并使低价钒氧化为高价可溶性钒。因此,强化焙烧效果是提高钒浸出率的重要途径。微波加热凭借其特殊的加热原理及特点,在干燥、化工等多个领域得到深入研究及广泛应用,效果显著。本研究采用微波加热强化钒页岩的焙烧效果,对钒页岩微波焙烧-酸浸工艺及机理进行深入研究,主要研究内容及结论如下:(1)钒页岩及其构成矿物的微波吸收特性研究根据微波吸收特性的不同,可将钒页岩的构成矿物分为三类:第一类为碳质和黄铁矿,该类矿物微波吸收特性较强,在微波场中呈现出较好的升温特性,是钒页岩中主要的微波吸收物质及热源。第二类为云母和长石,该类矿物在室温条件下的微波吸收特性较差,随着碳和黄铁矿的热传质作用,高温使云母及长石的晶格结构发生变化,对微波的响应能力得到改善,强化微波对该类矿物的热效应,进一步促进云母及长石的结构畸变。第三类为石英和方解石,该类矿物在整个焙烧过程中始终表现出较弱的微波吸收特性,在微波场中不会产热升温,结构变化不明显。钒页岩各构成矿物微波吸收特性的差异,是外场微波对钒页岩产生选择性热效应的前提。由于碳质及黄铁矿的存在,钒页岩具有较强的微波吸收特性。随着温度的升高,钒页岩的微波吸收特性整体呈现先大幅降低,后小幅回升的趋势。当温度由室温升高至600°C时,黄铁矿及碳质发生氧化反应而大量减少,钒页岩的微波吸收特性大幅降低;温度继续升高至800°C,由于云母及长石的微波吸收特性在该温度范围内存在一定程度的升高,致使钒页岩的微波吸收特性也随之小幅提升。(2)微波焙烧-酸浸因素对钒浸出率的影响及响应面优化在钒页岩微波焙烧-酸浸过程中,微波焙烧温度、微波焙烧时间、H_2SO_4浓度和浸出时间是影响钒浸出率的四个主要因素,其显著性大小顺序为:H_2SO_4浓度微波焙烧温度浸出时间微波焙烧时间。就每两个因素的交互影响而言,具有显著交互影响的是微波焙烧温度与H_2SO_4浓度,具有一定交互影响的是微波焙烧温度与微波焙烧时间,以及H_2SO_4浓度与浸出时间。响应面分析获得钒浸出率(Y)对微波焙烧温度(A)、微波焙烧时间(B)、H_2SO_4浓度(C)以及浸出时间(D)的二次模型方程为:Y=-980.35392+2.06197A+5.20460B+11.03677C+11.21883D-4.06750E-003AB-6.86500E-003AC-1.63750E-003AD+0.023350BC+0.033750BD-0.17150CD-1.10839E-003A~2-0.0460027B~2-0.097507C~2-0.51848D~2经BBD(Box-Behnken Design)响应面设计及优化分析,最终得到钒页岩微波焙烧-酸浸的最佳工艺参数为:钒页岩粒级为1-3 mm、微波功率为1500 W、微波焙烧温度为785°C、微波焙烧时间为28 min、H_2SO_4浓度为25 vol%、浸出温度为95°C、浸出时间为6 h、液固比为1.5:1 m L/g,此时的钒浸出率为93.44%。在钒浸出率相当的情况下与常规焙烧-酸浸工艺相比,焙烧温度降低115°C,焙烧时间缩短32min,H_2SO_4浓度降低10 vol%,浸出时间缩短4 h。(3)微波焙烧对钒浸出率的促进机理研究选择性热效应是微波焙烧促进钒浸出率的主要原因:宏观层面,微波选择性加热钒页岩中的碳、黄铁矿等吸波性物质,强化还原性物质的氧化反应活性;同时选择性热效应使各物相之间产生温度梯度,引发热应力,使钒页岩颗粒产生发达的裂纹与空隙,强化氧化反应的传质效果。微观层面,高温改善白云母对微波的响应能力,微波焙烧通过促进白云母的脱羟基反应,选择性地强化白云母中Al-O(OH)八面体层的结构畸变,使八面体层内间距增大,V的结合能降低,强化V的反应活性,进一步促进V的氧化与溶出。(4)钒页岩焙烧过程“硅束缚”现象的形成机理与控制钒页岩在空白焙烧过程中的“硅束缚”现象主要分为两个阶段:阶段I为固相反应阶段,温度区间为850-950°C,该温度范围内,焙烧样的钒浸出率小幅下降,焙烧样无明显软熔现象;第一阶段内,在CaO的促进作用下,长石类矿物与云母类矿物发生固相反应,生成难溶于酸的含钒硅酸盐矿物,其基本形式可以写成Na_4(Al,V)_2Si_2O_9及Na(Al,V)Si_2O_6,致使钒浸出率发生小幅下降。阶段II为软熔阶段,温度范围为大于950°C,该温度范围内,焙烧样的钒浸出率急剧下降,并伴有焙烧样明显的软熔现象;在第二阶段中,由第一阶段固相反应生成的难溶性固相产物优先发生软熔,促使液相生成,形成束缚层,致使焙烧样钒浸出率急剧下降。根据钒页岩空白焙烧过程中“硅束缚”现象的形成机理,以及微波焙烧对云母类及长石类矿物结构畸变的强化作用,提出了基于气氛调控的钒页岩微波焙烧过程“硅束缚”现象的控制方法:在钒页岩的微波焙烧阶段采用惰性气氛,通过改变焙烧样中Ca的存在形式,抑制第一阶段中固相反应发生,使“硅束缚”现象的形成温度提高约100°C,这一方面使适宜的焙烧温度范围变宽,有利于焙烧过程的有效控制,另一方面提高了钒页岩微波焙烧的有效温度上限,有助于含钒矿物结构的进一步破坏;在焙烧样的降温阶段采用氧化性气氛,氧化低价钒,弥补焙烧阶段因氧化不充分而导致的钒浸出率低的不足。采用气氛调控的方式能够进一步强化钒页岩的微波焙烧效果,提高钒浸出率。
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF841.3

【参考文献】