提钒弃渣提取有价元素的工艺及材料研究

发布时间：2020-07-05 18:37

【摘要】：承德市是我国的大型钒钛磁铁矿资源基地,在开采利用钒钛磁铁矿的同时也产生了大量的提钒弃渣。提钒弃渣的堆积一方面形成了重大的危险源,发生坍塌后会造成重大的人员伤亡、财产损失。另一方面尾矿中含有的重金属元素经过雨水的冲刷后渗透土壤中污染水源。本文综合考虑了材料、能源与环保等领域,提出了一种综合利用提钒弃渣来制备TiO2和锂离子电池正极材料LiFePO4的方法。将硫酸铵与提钒弃渣混合焙烧,经溶出、固液分离将Fe元素以离子的形式富集在溶出液中,Ti元素以不溶于水的化合物的形式富集在溶出渣中。通过化学分析的方法对溶出液中Fe元素进行滴定检测。设计了正交实验,在此基础上又做了单因素优化实验,研究了硫酸铵提钒弃渣质量比、中烧温度、终烧温度、保温时间这四个因素在不同水平下对Fe提取率的影响,并确定了最佳焙烧工艺:硫酸铵提钒弃渣质量比4:1,中烧温度300℃,终烧温度370℃,保温时间5h。该条件下Fe的提取率达到96.91%。对提Fe的焙烧过程进行了动力学分析,采用Kissinger法计算得到了两个反应的表观活化能分别为79.85KJ/mol、38.74KJ/mol,反应级数分别为0.6、1.26,反应速率常数分别为244778.6、461525.1。以富铁溶出液为原料制备黄铵铁矾,作为制备LiFeP04的铁源。设计了单因素优化实验,研究了反应温度、pH、反应时间对成矾量的影响,并确定了最佳成矾工艺:反应温度95℃、pH2.5、反应时间10h。该条件下已有81.79%的Fe转化为黄铵铁矾。以黄铵铁矾为铁源,Li2CO3为锂源、冰糖为碳源、NH4H2P04为磷源,经管式炉高温煅烧制备了 LiFePO4/C材料。并探究了加入不同的C量对锂离子电池电化学性能的影响。经分析,加入的C与黄铵铁矾的摩尔比为1.2:1时,电池具有较优的电化学性能。首次放电比容量可以达到163.8mAh/g,首次充放电效率可以达到99%,且该配比在不同倍率下进行循环测试均具有最高的平均放电比容量。以富钛渣为原料制备TiO2。将富钛渣与浓硫酸按一定比例混合焙烧,经溶出、固液分离,得到溶出渣和富钛的溶出液。通过化学分析的方法对溶出液中Ti元素进行滴定检测。设计了正交实验,在此基础上又做了单因素优化实验,研究了浓硫酸富钛渣体积质量比、焙烧温度、保温时间这三个因素在不同水平下对Ti提取率的影响,并确定了最佳焙烧工艺:浓硫酸富钛渣体积质量比2:1,焙烧温度300℃,保温时间2h。该条件下Ti的提取率达到27.33%。调节富钛液的pH为2和温度为95℃使溶液中的TiOSO4水解形成H3TiO3沉淀。经固液分离、加热分解后得到TiO2。对提Ti的焙烧过程进行了动力学分析,采用Kissinger法计算得到了反应的表观活化能为102.1342KJ/mol,反应级数为0.8998,反应速率常数为 30245.4。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X758;TQ134.11;TQ131.11
【图文】：

硅酸盐相；②含钒尖晶石相；③游离石英；④金复杂尖晶石（Ｆｅ２＋Ｍｎ２＋Ｍｇ２＋）（Ｃｒ３＋Ｖ３＋Ｔｉ４＋Ａｌ３＋Ｆｅ３＋）０４，度分散的状态分布于有硅酸盐组成的粘结相之中。主体成分，当渣中ＣａＯ、ＭｇＯ含量较高时，则析ａＭｇ（Ｓｉ０３）２等。钒渣中的游离石英主要是淲石英，榄石相中。钒渣中的金属铁也以分散态存在，但粒存在于大于１００目的硅酸盐相中［１｜］。逡逑是一种优质的成瓷材料，取等量的普通陶瓷原料，采用普通陶瓷生产的设备和工艺，在１１００－Ｃ下质制品，该种产品为钒钛黑瓷。其密度为２．９ｇ／ｃ吸水率＜０．３％，比黑花岗石更硬、更黑、更薄、场等场所可以采用它作为建筑装饰材料。钒钛黑？

逦９０逡逑２ｅ（。）逡逑图３．１提钒弃渣的ＸＲＤ衍射图谱逡逑Ｆｉｇ．邋３．１邋ＸＲＤ邋ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ邋ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ｏｆ邋ｅｘｔｒａｃｔｅｄ邋ｖａｎａｄｉｕｍ邋ｒｅｓｉｄｕｅ逡逑采用ＳＵＰＲＡ邋５５邋ＳＡＰＰＨＩＲＥ型扫描电子显微镜对提钒弃渣的形貌进行分析，逡逑测定条件为工作电压，１５ｋＶ；加速电流，１５ｍＡ；工作距离，７．３ｍｍ。逡逑图３．２为提钒弃渣经破碎研磨后的ＳＥＭ图。可以看出提钒弃渣结构疏松，形逡逑状不规则。逡逑＿逡逑图３．２提钒弃渣的ＳＥＭ图逡逑Ｆｉｇ．３．２邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋ｅｘｔｒａｃｔｅｄ邋ｖａｎａｄｉｕｍ邋ｒｅｓｉｄｕｅ逡逑－６－逡逑

东北大学硕士学位论文逦第３章（ＮＨ４）邋２Ｓ０４焙烧法提取提钒弃渣中Ｆｅ元素的机理研究逡逑２ｈ，焙烧产物的物相组成如图３．５、３．６所示。可见，提钒弃渣与硫酸铵混合焙烧逡逑的热重－差热曲线的第一个吸热峰对应的是Ｆｅ与硫酸铵反应生成ＭＵｅ邋（Ｓ0４）邋２逡逑的过程，第二个吸热峰对应的是ＮＨ４Ｆｅ（Ｓ0４）邋２分解的过程，因此可以判断焙烧逡逑过程中两个吸热峰对应的反应如下：逡逑＆２０３邋＋４（ＡＷ４）２１Ｓ０４邋４邋２Ａ／７／４Ｆｅ0Ｓ０４）２邋＋６以／／３邋个邋＋３／／２０邋个邋（３．３）逡逑）２邋－＞邋Ｆｅ２（＾０４）３邋＋邋２ＡＷ３邋个邋＋Ｓ０３邋个邋＋／／２０邋个邋（３．４）逡逑１０００邋逦逡逑

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