石煤钒矿浸出过程研究与动力学分析

赵明辉，成宝海

（长春师范大学工程学院，吉林 长春 130000）

钒作为一种高熔点的稀有金属，作为一种非常宝贵的战略性资源［1］，有着很好的物化性质，广泛应用于航空航天、汽车和机械制造等领域［2］。我国钒矿资源主要有两种形式，即钒钛磁铁矿和含钒石煤［3］，石煤钒矿提钒为我国钒资源开发的重要方向，并且为此展开了深入研究。

1 试验部分

1.1 试验原理

石煤钒矿焙烧之后钒的价态多以V（Ⅴ）和V（Ⅳ）为主，在进行酸浸出过程中，硫酸中的氢离子将其晶体结构破坏，在使用硫酸直接浸出时候主要发生的反应有：

1.2 试验方法

将矿粉破碎焙烧之后置于烧杯当中，通过使用不同浓度的硫酸、改变硫酸用量、设置浸出时间、浸出温度，进行浸出试验，待浸出试验完毕后，将浸出得到的渣液混合溶液进行抽滤，将所得到的溶液采用硫酸亚铁铵滴定法进行分析，计算浸出率。

2 结果与讨论

2.1 浸出时间对钒浸出率的影响

设置浸出温度为90℃，当液固比为3∶1时，在使用硫酸浓度为4 mol/L的条件下进行浸出，探讨浸出时间的不同对钒浸出率的影响，结果如图1所示。由图1可知，钒浸出率随浸出时间呈现正相关关系，这是因为增加时间使浸出液与焙烧矿粉充分反应，因此提高了钒浸出率。

图1 浸出时间对浸出率的影响

2.2 浸出温度对钒浸出率的影响

温度是试验进行的重要因素，在硫酸浓度为4 mol/L、液固比为3∶1的条件下浸出8 h，探讨温度对钒浸出率的影响，结果如图2所示。升高温度通常会加快化学反应速率［4］，由图2可知，浸出率随着温度的升高显著增加，试验选择95℃作为最佳浸出温度。

图2 温度对浸出率的影响

2.3 液固比对钒浸出率的影响

使用浓度为4 mol/L硫酸，保持浸出温度为95℃的条件下进行8 h浸出试验，探索液固比的不同与钒浸出率的关系，结果如图3所示。由图3可知钒浸出率与液固比呈现正相关关系，试验选择液固比4∶1为最佳浸出条件。其原因是当液固比在3～5∶1之间，氢离子破坏焙烧矿晶体结构的能力较强，而液固比在1～3∶1之间，液体与固体还没有充分混合，达不到浸出的能力，故试验选择的液固比是4∶1。

图3 液固比对浸出率的影响

2.4 硫酸浓度对钒浸出率的影响

保持95℃的浸出温度，浸出时间为8 h，液固比4∶1进行浸出。探索硫酸浓度对石煤钒矿浸出率的影响，结果如图4所示。由图4可知，钒浸出率随着硫酸浓度的增加而增加。这是由于硫酸中的氢离子可以对焙烧矿中晶体结构造成很大的破坏，随着氢离子浓度的增加，破坏晶体结构的能力也就越强。当硫酸浓度达到一定程度时，其对钒浸出率的影响不明显，因此试验选择硫酸的最佳浸出浓度为4 mol/L。

图4 硫酸浓度与浸出率关系曲线

2.5 浸出动力学分析

使用浓度为4 mol/L的硫酸作为浸出剂，控制液固比为4∶1进行浸出试验。讨论在不同温度下浸出时间的不同对浸出率的影响，绘制二者关系曲线，结果如图5所示。

图5 不同温度下浸出时间对浸出率的影响

讨论界面化学反应速率控制方程与时间t的关系并绘制曲线，如图6所示，不同温度下进行线性拟合的斜率k与拟合度R2见表1。结果表明，在温度较低时，界面化学反应控制方程与时间t的线性方程拟合较高，拟合出的直线很好的位于各个温度对应点的中心，受界面化学反应控制影响［5，6］。在温度较高的时候，线性拟合程度较低，石煤钒矿浸出不受界面化学反应控制，可能受混合控制影响。根据阿伦尼乌斯方程，绘制lnk-1 000/T的关系曲线，得到直线的拟合度R2＝0.938 9，拟合度较高，如图7所示，通过近似计算可以求得反应所需活化能为43.23 kJ/mol。

表1 不同温度下进行线性拟合的斜率k与拟合度R2

图6 不同温度下化学反应控制方程与浸出时间t的关系

图7 界面化学反应控制的ln k-1 000/T的关系

3 结 论

1.石煤钒酸浸法是一种钒萃取方法，其过程是焙烧矿粉与浸出剂进行多相反应，且该浸出过程动力学符合未反应核收缩模型。

2.在浸出过程中，焙烧矿粉直接使用4 mol/L的H2SO4浸出，控制试验温度为95℃，液固比为4∶1、浸出时长为8 h，试验结果可以得到钒浸出率为88.3%。

3.钒浸出过程中界面化学反应控制与时间t有着良好的线性关系，根据阿伦尼乌斯方程可以近似求得反应所需活化能为43.23 kJ/mol，表明石煤钒酸式浸出过程受界面化学反应控制。