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从钒渣中提取五氧化二钒的研究进展

洪家兴 ,  叶国华 ,  荣一阳 ,  宋昌溆 ,  张云 ,  项新月 ,  王钧树 ,  文汉伟

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (11) : 21 -26.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (11) : 21-26. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.11.005
技术进展

从钒渣中提取五氧化二钒的研究进展

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Research progress on extraction of vanadium pentoxide from vanadium slag

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摘要

综述了从钒渣中提取五氧化二钒工艺的研究进展,对提钒的改进工艺以及新工艺的优缺点进行了分析。传统提钒主要采用钠化焙烧-水浸和钙化焙烧-酸浸。针对传统提钒工艺污染大、成本高、浸出率低的不足,研究人员提出了一些改进和全新的工艺,有低温钠化焙烧法、无氯钠化焙烧法、镁化焙烧-酸浸工艺、微波焙烧法、亚熔盐焙烧法,以及无焙烧加压浸出法、电场强化浸出法和微生物法等。其中,低温钠化焙烧法解决了传统钠化焙烧会产生废气污染的缺点;镁化焙烧-酸浸工艺没有“三废”污染;亚熔盐焙烧法浸出率高;无焙烧加压浸出法取消了焙烧过程,降低了能耗;微生物法成本低,能耗少。未来的提钒工艺将向清洁、高效和低成本方向发展。

Abstract

The research progress in the processes for extracting vanadium pentoxide from vanadium slag is reviewed.The improved processes as well as the advantages and disadvantages of the new processes are analyzed.The traditional processes for extracting vanadium include mainly sodium roasting-water leaching and calcification roasting-acid leaching.In view of the high pollution,high cost and low leaching rate shortcomings of traditional vanadium extraction processes,researchers have proposed some improved and new processes,including low temperature sodium roasting method,sodium chloride-free roasting method,magnesium roasting-acid leaching process,microwave roasting method,sub-melting salt roasting method,non-roasting pressure leaching method,electric field enhanced leaching method and microbial method,etc.Among them,the low temperature sodium roasting method solves the shortcoming that traditional sodium roasting process generates waste gas pollution.There is no wastes pollution generated in the magnesium roasting-acid leaching process.The sub-melting salt roasting method presents high leaching rate.The non-roasting pressure leaching method eliminates the roasting process and reduces energy consumption.The microbial method has low cost and low energy consumption.It is predicted that the vanadium extraction processes in the future will develop towards clean,efficient and low-cost directions.

Graphical abstract

关键词

钒渣 / 直接浸出 / 焙烧 / 五氧化二钒 / 提钒

Key words

vanadium slag / directly leaching / roasting / vanadium pentoxide / vanadium extraction

Author summay

洪家兴(2000-),男,硕士生

引用本文

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洪家兴,叶国华,荣一阳,宋昌溆,张云,项新月,王钧树,文汉伟. 从钒渣中提取五氧化二钒的研究进展[J]. , 2025, 45(11): 21-26 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.11.005

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钒是一种重要的稀有金属,在冶金、现代合金材料、化学催化剂、新型能源、国防及航空航天等领域得到了广泛的应用,被称为“现代工业味精”、“现代工业材料重要添加剂”等[1-3]。未来,钒的应用范围也会随着科技和经济的发展而越来越大。我国是世界上钒资源丰富的国家之一,中国钒产业因先天的资源优势具有广阔的市场前景[4-5]。
钒的主要来源是钒钛磁铁矿,钒钛磁铁矿提取钒主要有2种方法:直接提钒和间接提钒。鉴于我国钒钛磁铁矿的钒品位普遍较低,在直接提钒时物料处理量大、钒的回收率不高、提钒的成本较高,且会产生废水、废气污染,因此现阶段主要以间接提钒为主[6]。间接提钒首先是从钒钛磁铁矿选矿开始,产出含钒铁精矿为原料,随后在高炉或电炉中进行冶炼,转化成含钒铁水,再经过选择性氧化铁水,使钒经过氧化后进入炉渣,从而得到富钒的炉渣作为下一步提钒(五氧化二钒)的原料[7]。传统提钒工艺存在钒回收率不高、生产过程中会产生废气废渣和生产成本高的缺点,针对这些缺点研究人员改进了部分提钒工艺并提出了一些新的工艺方法,旨在为钒渣提钒技术向绿色环保、高效发展。

1 钒渣

间接提钒的主要原料是钒渣,钒钛磁铁矿经过高炉或其他炉冶炼,钒被还原后进入铁水,获得含钒铁水后,再经过氧化处理(有转炉法、摇包法、铁水包法和雾化法等),便可得到含V2O5 10%~25%的钒渣。钒渣通常呈多孔状态,钒主要以3价离子形式存在其中,物相组成大致可以分含钒尖晶石相、含硅酸盐相、含金属铁、含游离石英4种类型。其中,钒渣中尖晶石通常表现为固溶态的复杂尖晶石,含钒尖晶石相以高度分散状态存在于硅酸盐形成的黏结相中,结晶粒度较细,为十几个微米大小,由于钒铬尖晶石常与其他的硅酸盐矿物紧密包裹,导致其在物理富集过程中很难有效分离。钒渣中的铁主要以游离的FeO和金属铁形式存在,呈细小颗粒分散在钒渣的物相之中,由于其粒度与其他物相存在显著差异,因此相对容易实现与其他物相的有效分离[8]。这些细小颗粒和矿物包裹的特性不仅使得钒铬尖晶石的解离变得更加复杂,还直接影响了后续化学浸出过程的效率。这些复杂的包裹相体系不利于钒的提取,因此通常用焙烧的方法对钒渣进行活化后,再进一步提取[9]钒渣的化学成分主要有V2O5、SiO2、CaO、MgO、MnO、FeO、Fe2O3等。钒渣中五氧化二钒的含量受多种因素的影响,包括原料矿石的成分、冶炼工艺的选择,以及钒回收技术的应用。表1展示了国内外钢厂钒渣的化学组成[10]。
从表1中可以看出,在钒渣化学成分中,五氧化二钒的含量相差较大,国外钢厂的钒渣中五氧化二钒的含量高于国内,国内钢厂中含量最高的是攀钢。钒渣中,V的含量通常在10%~20%之间;SiO2的含量通常在15%~20%之间;CaO的含量通常在1%~2%之间;MgO的含量通常在1%~3%之间;Mn的含量通常在4%~10%之间;全Fe的含量通常在25%~35%之间。

2 钒渣提取五氧化二钒的传统工艺方法

钒渣提取五氧化二钒的传统工艺包括钠化焙烧-水浸工艺和钙化焙烧-酸浸工艺,钠化焙烧-水浸工艺会有废气废渣污染;钙化焙烧-酸浸工艺尾渣硫含量高,回收利用难度高。

2.1 钠化焙烧-水浸工艺

钠化焙烧-水浸工艺通常首先将钒渣和适量的钠盐进行均匀混合,随后将其混合物在空气中进行高温焙烧,此过程中,低价钒被氧化成可水溶性的5价钒。焙烧完成后,通过水浸过程,5价钒将溶于水形成钒溶液,再经过沉钒析出。为了提高钒的纯度,还需煅烧和碱溶等提纯步骤,再二次沉钒与最终煅烧,得到高品位的五氧化二钒[11]。
钠化焙烧-水浸工艺主要核心是焙烧,在焙烧时钠盐添加剂破坏了含钒晶石的结构,钒被氧化后与钠结合,形成可溶性的钠盐。焙烧氧化作用中最突出的是氯化钠。钠化焙烧-水浸工艺流程如图1所示。
在传统的钠化焙烧提钒中,使用NaCl作为添加剂,钒渣在经过焙烧和水浸后,钒回收率为45%~55%;而经过酸沉粗钒后,回收率可提升至 92%~96%;在精制过程中,回收率达到了90%~93%;总计整个工艺中钒的回收率低于45%[12]。同时,因为在焙烧过程中释放出大量的有毒有害气体、消耗大量的能源,严重污染环境,目前钠化焙烧-水浸工艺已基本禁止使用。
以NaCl为例,钠化焙烧-水浸工艺的关键化学式为:
$ 4 \mathrm{NaCl}+\mathrm{O}_{2}=2 \mathrm{Na}_{2} \mathrm{O}+2 \mathrm{Cl}_{2}(\mathrm{~g})$
$ 2 \mathrm{~V}_{2} \mathrm{O}_{3}+\mathrm{O}_{2}=2 \mathrm{~V}_{2} \mathrm{O}_{4}$
$ 3 \mathrm{Cl}_{2}+3 \mathrm{~V}_{2} \mathrm{O}_{4}=2 \mathrm{VOCl}_{3}+2 \mathrm{~V}_{2} \mathrm{O}_{5}$
$ 4 \mathrm{VOCl}_{3}+3 \mathrm{O}_{2}=2 \mathrm{~V}_{2} \mathrm{O}_{5}+6 \mathrm{Cl}_{2}(\mathrm{~g})$
$ y \mathrm{~V}_{2} \mathrm{O}_{5}+x \mathrm{Na}_{2} \mathrm{O}=x \mathrm{NaO} \cdot y \mathrm{~V}_{2} \mathrm{O}_{5}$
目前该工艺比较成熟,但在实际应用中仍面临若干问题。该工艺在生产过程中产生的废气废渣和焙烧生成的钠盐废水会对环境造成污染;对温度要求较高,且能耗较大,从而增加了生产成本。

2.2 钙化焙烧-酸浸工艺

为了降低钠化焙烧工艺过程中产生的有害气体和钠盐排放量,研究人员探索并开发出了钙化焙烧-酸浸工艺。该工艺是将石灰石或者石灰等钙盐作为添加剂,与钒渣一起进行高温焙烧,促使低价钒转化为易溶于酸性溶液的钒酸钙,随后,进行酸浸处理,浸出液经过除杂、沉淀和煅烧等步骤,最终获得五氧化二钒产品。钙化焙烧-酸浸工艺流程如图2所示。
以CaCO3为例,钙化焙烧-酸浸提钒的主要方程式为:
$ \mathrm{CaCO}_{3}=\mathrm{CaO}+\mathrm{CO}_{2}(\mathrm{~g})$
$ \begin{array}{l} \mathrm{V}_{2} \mathrm{O}_{5}+\mathrm{CaO}=\mathrm{Ca}\left(\mathrm{VO}_{3}\right)_{2} \\ \mathrm{Ca}\left(\mathrm{VO}_{3}\right)_{2}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4}= \end{array}$
$CaS{O}_{4}\left(s\right)+(V{O}_{2}{)}_{2}S{O}_{4}+2{H}_{2}O$
钙化焙烧提钒工艺对焙烧添加剂的用量没有定量要求,同时避免了钠化焙烧提钒工艺中焙烧炉料烧结的问题,在延长设备使用寿命的同时,生产效率也得到了提高。陈正义等[13]对五氧化二钒质量分数为0.41%的钒钛磁铁矿精矿中进行钙化焙烧-酸浸试验,通过采用以碳酸钙为添加剂,在最佳条件下焙烧,焙烧后干磨至粒度小于0.075 mm,利用体积分数为10%的硫酸、液固比为5 mL/g、将浸出温度控制在333 K浸出180 min,钒浸出率达94.66%,浸出渣钒质量分数为0.02%,此方法有效促进了钒的有效分离和富集。
与钠化焙烧-水浸工艺相比,钙化焙烧-酸浸工艺显著减少了腐蚀气体的排放,并减轻了回转窑结圈的问题,同时降低了对钒渣中钙、硅等成分的要求限制。然而,在酸浸过程中,钒酸钙溶解会伴随硫酸钙的生成,这些硫酸钙可能会附着于钒渣表面,对钒的回收率造成一定阻碍;此外,尾渣的硫含量高,增加了回收利用难度,会导致环境污染与资源浪费。

3 钒渣提取五氧化二钒改进工艺以及新工艺

传统的钒渣提取五氧化二钒工艺会产生废气废渣,污染较大,能耗高。针对传统工艺的不足,研究人员进行了改进并提出了一些新的工艺。改进工艺有低温钠化焙烧法、无氯钠化焙烧法。新工艺有镁化焙烧-酸浸工艺、微波焙烧法、亚熔盐焙烧法、无焙烧加压浸出法、电场强化浸出法和微生物法。这些工艺不仅优化了钒的浸出率,还强化了对环境的友好性,为钒资源的可持续利用开辟了新的途经。

3.1 焙烧提钒

钠化焙烧-水浸工艺能耗高,为了改进这个缺点提出了低温钠化焙烧法;钠化焙烧-水浸工艺会产生废气污染环境,所以提出了无氯钠化焙烧法。传统工艺有污染较大、浸出率有待提高的缺点,所以在更换焙烧添加剂方面,提出了镁化焙烧-酸浸工艺和亚熔盐焙烧法;在焙烧方法上提出了微波焙烧法。

3.1.1 低温钠化焙烧法

传统的钠化焙烧-水浸工艺能耗较高,为了解决这一缺点,研究人员提出了低温钠化焙烧法提钒。低温钠化焙烧提钒是在温度相对较低的环境下进行钠化焙烧提钒,这种方法显著降低了能耗。
Deng等[14]研究了低温钠化焙烧与高效选择性氧化浸出相结合的提取钒的方法,研究表明,在 500~650℃之间,钒的浸出率随着焙烧温度的升高而迅速升高,超出650℃以后钒浸出率趋于平稳,当焙烧时间超过120 min以后浸出率将趋于平稳。钒主要以低价的含钒尖晶石相存在,焙烧会破坏含钒尖晶石的结构,试验中加入MnO2可促进低价钒的氧化,此时浸出率为83.23%;相同条件下,对比添加Na2S2O8、MnO2和H2O2对钒浸出效果的影响,发现Na2S2O8的效果最为突出,钒浸出率达到87.74%,相较于未添加任何添加剂的情况,浸出效率提高了7.18%,这归因于添加Na2S2O8能够氧化低温焙烧之后残留的低价钒,从而提高钒浸出率。此反应方程式如下:
$ \begin{array}{l} \mathrm{Na}_{2} \mathrm{~S}_{2} \mathrm{O}_{8}+2 \mathrm{VO}_{2}+2 \mathrm{OH}^{-} \longrightarrow \\ \mathrm{Na}_{2} \mathrm{SO}_{4}+\mathrm{V}_{2} \mathrm{O}_{5}+\mathrm{SO}_{4}^{2-}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \end{array}$
$ \begin{array}{l} 2 \mathrm{Na}_{2} \mathrm{~S}_{2} \mathrm{O}_{8}+\mathrm{V}_{2} \mathrm{O}_{3}+40 \mathrm{H}^{-} \longrightarrow \\ 2 \mathrm{NaSO}_{4}+\mathrm{V}_{2} \mathrm{O}_{5}+2 \mathrm{SO}_{4}^{2-}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \end{array}$
与传统的高温钠化焙烧方法相比,该工艺显著降低了能量消耗,从而有效减少了生产成本。虽然该方法简化了工艺操作,但浸出率较低,尤其在处理难溶矿物时表现不如高温焙烧。未来的技术改进有望提升新工艺的浸出效率,进一步优化经济性和工艺效果。

3.1.2 无氯钠化焙烧法

由于钠化焙烧-水浸工艺主要用NaCl作为焙烧添加剂,焙烧过程会产生有毒气体,对环境造成污染,因此将钠化焙烧-水浸工艺中的NaCl添加剂向加入无氯钠化添加剂方向发展是主要的方向。
邵胜琦等[15]在研究过程中,选用了Na2O2作为添加剂,通过实施钠化焙烧-水浸工艺进行提钒。研究表明,钒的浸出率随着钒钠比、焙烧温度和压片压力的变化呈现先增大后减小的趋势;而焙烧时间的影响则是钒的浸出率随时间延长而提高。在最佳条件下,钒浸出率可以达到95.57%。
无氯钠化焙烧法改善了传统钠化焙烧-水浸工艺产生有毒气体的缺点,并朝着绿色环保的方向发展,但是这种方法并没有改变钠化焙烧-水浸工艺中能耗较大的缺点,并且整个生产流程中成本会比传统钠化焙烧工艺的高。

3.1.3 镁化焙烧-酸浸工艺

传统的焙烧提钒工艺选择的添加剂通常会产生废气废渣污染,为了改进这个缺点,研究人员通过替换焙烧添加剂的方法提出了镁化焙烧-酸浸工艺,用镁盐替换钠化焙烧-水浸工艺或者钙化焙烧酸浸工艺中的钠盐或钙盐,焙烧后再进行酸浸,能有效对钒进行提取。
王成杰[16]研究了以MgO为焙烧添加剂在普通钒渣和高铬型钒渣中提钒。研究表明,针对不同类型的钒渣,镁化焙烧条件及其后续的硫酸浸出过程显示出显著的差异性和高效性。在普通钒渣进行镁化焙烧时,采用Mg/V摩尔比为0.6,在最佳条件下焙烧浸出,钒的提取率达95.56%;而在高铬型钒渣为了有效提取并同时实现钒铬分离,Mg/V摩尔比增加至1.0,其余条件不变的情况下,钒的提取率同样可达95.56%,表明调整后的焙烧条件对高铬钒渣同样有效,且铬的提取率仅为0.054%,实现了有效的钒、铬分离。
镁化焙烧-酸浸工艺实现了钒的高效提取,并且有效分离了高铬钒渣中的铬,在焙烧过程中无污染气体的排放,有高效清洁的优点,通过MgO的循环使用,带动提钒废水全组元在提钒体系内循环使用和提钒固废的全量化循环利用,但是作为镁盐的焙烧添加剂现在还比较单一,还需要进一步发展研究。

3.1.4 微波焙烧法

微波作为一种创新的冶金手段,已经在多个矿业领域展现出独特的应用价值。微波可迅速、选择性加热,是一种清洁能源。微波焙烧是用微波来替代传统的焙烧过程的一种新型提钒方法,用微波焙烧提钒在资源回收、环境保护方面具有重要意义,相比传统的焙烧方式具有加热均匀、效率高、节能等优点。
谭博等[17]深入探究了微波场下的钒渣氯化动力学,结果显示,使用微波迅速加热至800℃并在此温度下保持30 min确保反应的充分进行,其次(NaCl-KCl)/AlCl3熔盐质量比1.66∶1、AlCl3与钒渣质量比1.5∶1的条件下,钒提取率为82.67%。
微波焙烧法作为一种新型冶金技术,已被应用于钒矿的提取过程中,通过微波加热可以提高钒矿的反应速率和提取效率。与传统的高温焙烧方法相比,微波焙烧法不仅能显著降低能耗,还促进资源的高效利用,但是这种微波设备成本高,还不能应用于工业生产中。

3.1.5 亚熔盐焙烧法

亚熔盐焙烧是一种利用熔融盐或亚熔融盐的高温特性来处理矿物、金属或其他化合物的过程。亚熔盐属于新型的反应介质,是一种特殊的熔体,特征在于含有少量的水分,且通常是高浓度的碱金属水溶液。亚熔盐提钒技术是以30%~80% NaOH或KOH溶液或NaOH-NaNO3二元熔盐为介质,在 200~400℃下通过拟均反应对钒渣进行液相氧化分解的过程。工艺流程如图3所示。
钒铬渣中钒铬尖晶石在NaOH亚熔盐介质中氧化反应的方程式为[18]:
$ \begin{array}{c} \mathrm{FeO} \cdot \mathrm{~V}_{2} \mathrm{O}_{3}+6 \mathrm{NaOH}+5 / 4 \mathrm{O}_{2}= \\ 1 / 2 \mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3}+3 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+2 \mathrm{Na}_{3} \mathrm{VO}_{4} \end{array}$
$ \begin{array}{c} \mathrm{FeO} \cdot \mathrm{Cr}_{2} \mathrm{O}_{3}+4 \mathrm{NaOH}+7 / 4 \mathrm{O}_{2}= \\ 1 / 2 \mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+2 \mathrm{NaCrO}_{4} \end{array}$
潘自维等[19]通过一系列条件试验,优化了NaOH亚熔盐法提取钒渣中钒与铬的工艺参数,研究表明,在最佳条件下,最终钒的浸出率在95%以上,铬的浸出率在90%以上。且发现无论是KOH和NaOH亚熔盐介质都可以有效分解钒铬尖晶石,可以实现高铬型钒渣中同时对钒、铬的提取。
这种方法优点在于浸出效率高,操作温度低,能有效分离高铬型钒渣中的铬和钒,无有害气体或者有毒尾渣产生,但是需要较长反应时间,亚熔盐介质碱性高,有强烈腐蚀性,对设备要求较高,会增加生产成本[20-21]。该方法具有良好的工业应用潜力,但仍需进一步优化以提高经济性和操作效率。

3.2 直接浸出提钒

传统的提钒工艺通常首先进行焙烧处理,随后进行浸出,核心在于利用氧化、焙烧等手段,有效破坏钒铁尖晶石的结构,然而,这一过程流程长,物料消耗大,并且容易产生有害气体、废料,对环境造成较大污染。目前我国对资源环境的有效利用和保护高度重视,直接浸出提钒取消了焙烧过程,对环境更加友好,减少了能耗和有害气体的排放,通过加压或者电场强化浸出的方法将浸出剂引入矿渣中,从而有效地浸出,所以研究人员提出了无焙烧加压浸出法和电场强化浸出法。

3.2.1 无焙烧加压浸出法

无焙烧加压浸出提钒是一种利用加压和化学浸出从钒渣中提取钒的技术方法。这种方法的核心特点是不经过高温焙烧等传统工艺处理,而是直接在加压环境下通过酸性或碱性溶液浸出钒,使钒的回收率提高。
张国权[22]对无焙烧直接采用加压酸浸技术从转炉钒渣中提取钒的方法进行了全面深入研究,重点分析了加压酸浸过程的热力学特性,明确揭示了直接酸浸提钒的机理,并对浸出工艺进行了优化,同时,他们还深入探究了加压浸出过程中钒的动力学行为。试验结果显示,在最佳条件下,钒浸出率可高达96.88%。
无焙烧加压浸出法相比传统焙烧法具有明显的环境优势,能高效提取钒渣中的钒和铁。其主要优点在于不需要焙烧过程,减少了资源消耗和污染,但设备成本较高,且浸出效果受矿石粒度和结构等因素的影响。虽然浸出率高,但酸浸液中可能还有杂质元素需要进一步分离,增加了后续处理的复杂性。

3.2.2 电场强化浸出法

电场强化浸出提钒是一种通过施加外部电场来增强浸出过程的技术,该方法在浸出反应体系中引入电场,通过电场作用促进钒渣中钒元素的溶解和迁移,从而提高浸出效率和钒的回收率。电场强化浸出法相比于传统工艺,电场强化浸出法浸出时间短,减少了环境污染,提高了反应的选择性和稳定性。
李艳[23]采用电场分别强化直接酸浸和碱浸预处理-酸浸法进行浸出处理。研究结果显示,在电场强化直接酸浸过程中,在最佳反应条件下,加入硫酸锰电场强化酸浸使钒浸出率达到79.64%;而未电场强化的直接酸浸钒浸出率达67.18%;在强化碱浸预处理-酸浸过程中,最佳条件下钒的浸出率可达到81.72%,较直接酸浸浸出率提高了25.21%。这些结果表明,碱浸预处理可有效破坏硅酸盐相结构,暴露出更多的钒矿成分,从而显著提高钒的浸出效率。
电场强化浸出法作为一种新颖钒回收技术,有流程简单、污染较小等优势,但是这种方法钒回收率偏低,对设备要求较高,并且酸耗大,目前工业化应用中的可行性仍需要克服技术瓶颈,还需要进一步发展。

3.3 其他方法提钒

传统的焙烧提钒方法能耗较高,虽然工艺进行了改进和创新,但是依旧有浸出率不高或者添加剂消耗大的缺点;直接浸出提钒虽然改进了能耗问题,但是浸出液消耗大,电场强化浸出法对设备要求较高。除了焙烧提钒和直接浸出提钒,研究人员还提出了微生物法进行提钒。
微生物提钒是通过利用微生物在自然或人工环境中与矿石中的钒发生化学反应,或是依靠微生物代谢产生的物质或者生理机能的作用进行氧化、溶浸矿物中想要的成分,再采取吸附和络合的方法来富集和分离浸出组分[24]。
董颖博等[25]对石煤提钒尾渣进行了研究,结果表明,在初始pH为2、摇床转速170 r/min、黄铁矿添加量为15 g/L的条件下,使用T.f菌对尾渣浸出10 d,钒浸出率可达到83.4%,相比单独采用酸浸的方法,钒浸出率提高了32.6%,该结果表明,T.f菌在石煤提钒尾渣的浸出过程中,表现出比传统酸浸方法更为优秀的浸出效果。
这种方法成本低、能耗少,减少了对环境的污染,但是反应速度慢,相比于化学提取的方法,微生物法的提取物效率较低,对微生物的培养苛刻,在工业上的应用成熟度较低,还在进一步的研发当中。

4 结语与展望

传统的钒渣中提取五氧化二钒工艺主要包括钠化焙烧-水浸、钙化焙烧-酸浸。其中,钠化焙烧-水浸和钙化焙烧-酸浸这2个工艺具有较高能耗,并且在过程中会产生废气、废渣和废液,导致环境污染。传统的提钒工艺在实际工业生产中得到了较好的应用,这些技术在提钒的工程中虽然清洁化程度逐渐提升,但是仍然未能解决固废排放量大、资源利用率低等问题,因此钒渣提取五氧化二钒在焙烧、直接浸出和一些其他提钒工序上进行了改进和创新。
未来对钒渣提取五氧化二钒的新工艺可以从以下几个方面展开。
(1)焙烧提钒时,低温钠化焙烧法相比于传统的钠化焙烧方法所需要的温度显著降低,降低了生产成本,浸出率不如高温焙烧效果好;无氯钠化焙烧法改进了传统的钠化焙烧会产生有毒气体的缺点,对环境更加友好;镁化焙烧-酸浸工艺实现了“三废”的零排放;微波焙烧法有加热均匀、节能、效率高的优点;亚熔盐焙烧法相比传统的焙烧方法温度更低,浸出率更高,固废产生率显著降低,但是工艺设计难度较大;未来在焙烧提钒方面主要是向环保、简易工艺、降低成本和能耗、寻找更好的添加剂的方向发展;其中,亚熔盐焙烧由于亚熔盐介质碱性高,设备抗腐蚀性有待提高;镁化焙烧则是向拓展新的镁盐作为焙烧添加剂的方向发展。
(2)直接浸出提钒时,无焙烧加压浸出法取消了焙烧的过程,对环境更加友好,但是设备要求高,并且浸出效果同时和矿石的粒度、结构有关;电场强化浸出法工艺简单,浸出时间短,减少了环境污染,但是浸出率相比焙烧工艺低。未来无焙烧浸出提钒工艺主要向提高钒的浸出率、降低设备成本的方向发展。
(3)其他方法提钒时,微生物法绿色环保、成本低,但是浸出效率较低,微生物培养环境苛刻,反应的时间长,还有待进一步优化发展。因此,微生物法应寻找更能够提高反应效率的微生物,微生物的培养环境也应进行规范化提高,并适当降低成本。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52464029)

国家自然科学基金项目(51964028)

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