钒钛磁铁矿弱磁富集-酸浸提钒研究.pdf
钒钛磁铁矿弱磁富集⁃酸浸提钒研究 ① 朱晓波， 李 望， 管学茂 （河南理工大学 材料科学与工程学院， 河南 焦作 ４５４０００） 摘 要 针对陕西某地钒钛磁铁矿，进行了弱磁富集⁃酸浸提钒研究。 结果表明原矿经磁场强度为 ５０ ｋＡ／ ｍ 弱磁分选后，磁铁矿得 到富集，Ｖ２Ｏ５品位从 ０．２４％提高至１．０９％。 磁选精矿在硫酸浓度５ ｍｏｌ／ Ｌ、反应温度１００ ℃、反应时间６０ ｍｉｎ 和液固比５∶１的条件下 浸出，钒浸出率可达 ８０．４５％。 关键词 钒； 弱磁选； 酸浸； 钒钛磁铁矿 中图分类号 ＴＤ９２５文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１６．０３．０１８ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１６）０３－００７０－０４ ＬＩＭＳ⁃Ａｃｉｄ Ｌｅａｃｈｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ａｎｄ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｖａｎａｄｉｕｍ ｆｒｏｍ Ｖａｎａｄｉｕｍ Ｔｉｔａｎｏ⁃Ｍａｇｎｅｔｉｔｅ ＺＨＵ Ｘｉａｏ⁃ｂｏ， ＬＩ Ｗａｎｇ， ＧＵＡＮ Ｘｕｅ⁃ｍａｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４０００， Ｈｅｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｆｏｒ ｖａｎａｄｉｕｍ ｔｉｔａｎｏ⁃ｍａｇｎｅｔｉｔｅ ｆｒｏｍ Ｓｈａａｎｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ， ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｌｏｗ⁃ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ （ＬＩＭＳ） ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ａｃｉｄ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ａｎｄ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｖａｎａｄｉｕｍ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒａｗ ｏｒｅ ｗａｓ ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ＬＩＭＳ ａｔ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ５０ ｋＡ／ ｍ ｆｏｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ， ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｔｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｒａｄｅ ｏｆ Ｖ２Ｏ５ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ０．２４％ ｔｏ １．０９％． Ａｆｔｅｒ ｔｈａｔ， ｔｈｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ ｗａｓ ｌｅａｃｈｅｄ ｗｉｔｈ ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ ａｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ５ ｍｏｌ／ Ｌ， ｒｅａｃｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ １００ ℃ ｆｏｒ ６０ ｍｉｎ ｗｉｔｈ ｌｉｑｕｉｄ／ ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏ ａｔ ５∶１， ｌｅａｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｎａｄｉｕｍ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｒａｔｅ ｕｐ ｔｏ ８０．４５％． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｖａｎａｄｉｕｍ； ｌｏｗ⁃ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ （ＬＩＭＳ）； ａｃｉｄ ｌｅａｃｈｉｎｇ； ｖａｎａｄｉｕｍ ｔｉｔａｎｏ⁃ｍａｇｎｅｔｉｔｅ 钒钛磁铁矿是一种重要的含钒资源，广泛存在于 中国许多省份，储量约为 ９８．３ 亿吨，其中五氧化二钒 含量约为 ２ ５００ 万吨。 从钒钛磁铁矿中提取五氧化二 钒得到了国内外学者的广泛关注［１－４］，方法主要包括 直接提取和间接提取两种工艺［５］。 直接提取工艺为 钒钛磁铁矿添加氯化钠和硫酸钠高温焙烧，焙烧后样 品中钒经水浸回收，该工艺产生大量氯气和二氧化硫 导致空气污染［６］。 间接提取工艺为钒钛磁铁矿先进 行高炉炼铁过程后［７］，再从炼铁渣中提取五氧化二 钒，炼铁渣可通过添加碳酸钠焙烧⁃水浸作业回收其中 的五氧化二钒，钒回收率较低［８］；也可通过钙法焙烧⁃ 酸浸作业或直接酸浸方法提取五氧化二钒，一般存在 酸耗量高，后续钒的溶剂萃取作业难以操作等问 题［９－１２］。 本文提出了钒钛磁铁矿弱磁富集⁃直接酸浸提钒 的方法，简化工艺流程、降低环境污染和提高钒回收 率。 主要讨论了弱磁选和酸浸对钒钛磁铁矿中钒富集 和提取的影响，同时研究了该过程中钒钛磁铁矿的物 相变化，为钒钛磁铁矿高效综合利用提供依据。 １ 试 验 １．１ 试验原料 钒钛磁铁矿原矿试样取自陕西某地，化学成分分 析结果见表 １，ＸＲＤ 物相分析结果见图 １，磁铁矿电子 探针分析结果见表 ２。 表 １ 钒钛磁铁矿原矿化学成分分析结果（质量分数） ／ ％ Ｖ２Ｏ５ ＴＦｅ Ａｌ２Ｏ３ＴｉＯ２ＳｉＯ２ ＣａＯ Ｎａ２Ｏ ＭｇＯ ０．２４１３．６５１２．３１２．８９４３．５６９．２６１．９２６．３３ ①收稿日期 ２０１５－１２－０５ 基金项目 河南省教育厅重点科研项目（１５Ａ４４００１４） 作者简介 朱晓波（１９８５－），男，辽宁辽阳人，讲师，博士，主要研究方向为矿物化学提取。 通讯作者 李 望（１９８３－），女，吉林德惠人，讲师，博士，主要研究方向为化学提取与分离。 第 ３６ 卷第 ３ 期 ２０１６ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３６ №３ Ｊｕｎｅ ２０１６ 20103040 1 * 图 ２ 磁选强度对钒富集的影响 磁场强度为 ５０ ｋＡ／ ｍ 时获得的钒钛磁铁矿精矿 化学成分分析结果见表 ３，ＸＲＤ 物相分析结果见图 ３。 表 ３ 磁选精矿化学成分分析结果（质量分数） ／ ％ Ｖ２Ｏ５ＴＦｅＡｌ２Ｏ３ＴｉＯ２ＳｉＯ２ＣａＯＮａ２ＯＭｇＯ １．０９５５．２４３．６５０．１７１１．５４１．４７０．１４１．９４ 20103040 1 *3 2 V3 3 5/; 4 D; 5060709080 2 / θ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 2 4 4 图 ３ 磁选精矿 ＸＲＤ 分析 结果表明，钒钛磁铁矿经弱磁选后，铁和钒得到了 富集，其他元素均呈减少的趋势，其中 Ｖ２Ｏ５品位为 １．０９％，富集近 ５ 倍；主要矿物为磁铁矿，同时含有少 量钛铁矿、绿辉石和中长石。 ２．２ 硫酸浓度的影响 以磁选精矿为原料进行浸出试验，反应温度 １００ ℃、反应时间 ６０ ｍｉｎ、液固比 ５ ∶１，硫酸浓度对钒浸出 率的影响如图 ４ 所示。 由图 ４ 可知，随着硫酸浓度提 高，钒浸出率呈增长趋势，在硫酸浓度低于 ５ ｍｏｌ／ Ｌ 时，钒浸出率增长显著；硫酸浓度高于 ５ ｍｏｌ／ Ｌ 时，钒 浸出率增长缓慢。 而铁浸出率随着硫酸浓度提高呈直 线增长趋势。 综合考虑到酸浸液中过多的铁离子会影 响钒的富集分离等作业，合适的硫酸浓度为 ５ ｍｏｌ／ Ｌ， １７第 ３ 期朱晓波等 钒钛磁铁矿弱磁富集⁃酸浸提钒研究 此时钒浸出率为 ８０．４５％，铁浸出率为 ４１．６４％。 47,mol L-1 90 80 70 60 50 40 30 100 80 60 40 20 0 43567 ,1*5 1*5 图 ４ 硫酸浓度对钒及铁浸出率的影响 ２．３ 反应温度和时间的影响 硫酸浓度 ５ ｍｏｌ／ Ｌ、液固比 ５ ∶１，反应温度和时间 对钒浸出率的影响如图 ５ 所示。 由图 ５ 可知，反应温 度对钒浸出率影响显著，随着反应温度从常温升至 １００ ℃，钒浸出率可提高 ４０％左右。 当浸出时间低于 ６０ ｍｉｎ 时，钒浸出率随时间增长明显；超过 ６０ ｍｉｎ 后， 钒浸出率增长缓慢。 因此，合适的反应温度和时间为 １００ ℃和 ６０ ｍｉｎ，此时钒浸出率为 ８０．４５％。 ;0h 100 80 60 40 20 0 3006090120 ,1*5 25 50 75 100 图 ５ 反应温度和时间对钒浸出率的影响 ２．４ 液固比的影响 硫酸浓度 ５ ｍｏｌ／ Ｌ、反应温度 １００ ℃、反应时间 ６０ ｍｉｎ，液固比对钒浸出率的影响如图 ６ 所示。 A. 85 84 83 82 81 80 79 78 77 76 75 4356789 ,1*5 图 ６ 液固比对钒浸出率的影响 由图 ６ 可知，液固比对钒浸出率有一定的影响，随 着液固比从 ３ ｍＬ／ ｇ 提高至 ９ ｍＬ／ ｇ，钒浸出率可提高 ７％左右。 液固比为 ５ ｍＬ／ ｇ 时，钒浸出率为 ８０．４５％，继 续提高液固比，钒浸出率增长趋势缓慢。 因此，合适的 液固比为 ５ ｍＬ／ ｇ（即 ５∶１）。 ２．５ 综合试验 磁选精矿在硫酸浓度 ５ ｍｏｌ／ Ｌ、反应温度 １００ ℃、反 应时间 ６０ ｍｉｎ 和液固比 ５∶１条件下浸出，获得的浸出渣 ＸＲＤ 物相分析结果见图 ７。 由图 ７ 可知，磁选精矿中磁 铁矿部分溶解，浸出渣中仍含有一定量的磁铁矿，说明 磁铁矿晶格中钒易与硫酸反应浸出溶解，而磁铁矿较难 发生溶解反应。 精矿中少量的钛铁矿、绿辉石和中长石 几乎全部溶解，致使其中的钛、铝、钠、钙、镁等进入浸出 液中，而硅以二氧化硅的形式存在于浸出渣中。 20103040 1 ;A 2 *3 5060709080 2 / θ 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 图 ７ 浸出渣 ＸＲＤ 分析结果 ２．６ 正交试验研究 为考察酸浸提钒过程中硫酸浓度（Ａ）、反应温度 （Ｂ）、液固比（Ｃ）和反应时间（Ｄ）４ 个因素的优化条件和 影响显著程度，进行了 Ｌ９（３４）正交试验，结果见表 ４。 表 ４ 正交试验结果 试验号 Ａ ／ （ｍｏｌＬ －１ ） Ｂ ／ ℃ Ｃ ／ （ｍＬｇ －１ ） Ｄ ／ ｍｉｎ 钒浸出率 ／ ％ １４５０３３０２６．２４ ２４７５５６０３５．４２ ３４１００７９０６８．５７ ４５５０５９０５９．２５ ５５７５７３０６１．３４ ６５１００３６０７６．８１ ７６５０７６０６５．６３ ８６７５３９０６８．２４ ９６１００５３０８２．４１ Ｋ１４３．４５０．４５７．１５６．７ Ｋ２６５．８５５５９．０５９．２８ Ｋ３７２．１７５．９６５．２６５．３ ｋ１１４．５１６．８１９．０１８．９ ｋ２２１．９１８．３１９．７１９．８ ｋ３２４．０２５．３２１．７２１．８ 极差９．５８．５２．７２．９ 优方案Ａ３Ｂ３Ｃ３Ｄ３ ２７矿 冶 工 程第 ３６ 卷 由表 ４ 可知，影响钒浸出率的因素显著性为Ａ＞Ｂ ＞Ｄ＞Ｃ，其中硫酸浓度和反应温度对钒浸出率影响最为 明显。 在仅考虑钒浸出率指标的条件下，各因素的最 优方案均为水平的最大值，正交表中最佳试验条件为 硫酸浓度 ６ ｍｏｌ／ Ｌ、反应温度 １００ ℃、液固比 ５ ∶１、反应 时间 ３０ ｍｉｎ，此时钒浸出率为 ８２．４１％。 而综合考虑钒 浸出率、药剂消耗和经济成本，硫酸浓度 ５ ｍｏｌ／ Ｌ、反应 温度 １００ ℃、液固比 ５∶１、反应时间 ６０ ｍｉｎ 的工艺参数 更为合适，此时钒浸出率为 ８０．４５％。 ３ 结 论 研究了钒钛磁铁矿弱磁富集⁃酸浸提钒工艺，分析了 该过程中钒钛磁铁矿的物相变化。 研究结果表明五氧 化二钒主要赋存于磁铁矿中，该钒钛磁铁矿原矿经磁场 强度５０ ｋＡ／ ｍ 弱磁分选后，铁和钒均得到了富集，Ｖ２Ｏ５ 品位从０．２４％提高至１．０９％，富集近 ５ 倍。 磁选精矿在硫 酸浓度５ ｍｏｌ／ Ｌ、反应温度１００ ℃、反应时间 ６０ ｍｉｎ、液固 比５∶１的条件下搅拌浸出，钒浸出率为８０．４５％。 因素显著 性为硫酸浓度＞反应温度＞反应时间＞液固比。 物相分析 结果表明钒钛磁铁矿经弱磁选后，精矿中磁铁矿得到富 集；磁选精矿经酸浸后，钛铁矿，绿辉石和中长石几乎全 部溶解，而主要矿物磁铁矿则部分溶解。 参考文献 ［１］ 杨双平，汪 剑，杜 新，等． 钒钛磁铁矿金属化球团熔分及 ＴｉＯ２ 富集试验研究［Ｊ］． 矿冶工程，２０１４，３４（１）８７－８９． ［２］ 汪云华． 内配碳固态还原钒钛磁铁矿试验研究［Ｊ］． 矿冶工程， 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Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｒｃｈａｅ⁃ ｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１３，４０（１）７７８－７８５． ［８］ Ｚｈａｏ Ｊ， Ｄｏｎｇ Ｘ， Ｂｉａｎ Ｍ， ｅｔ ａｌ． Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｙｎ⁃ ｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ， ｆｌｕｏｒａｐａｔｉｔｅ ａｎｄ ｃｈｌｏｒａｐａｔｉｔｅ ［Ｊ］． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１４，３１４１０２６－１０３３． ［９］ 秦玉华，王胜天，关晓辉，等． 磷灰石通道离子替换对细胞色素 Ｃ 直接电化学的影响［Ｊ］． 分析化学，２００４（１２）１６１３－１６１６． ［１０］ 刘 羽． 磷灰石的矿物谱学研究［Ｄ］． 广州中山大学地球科学 与地质工程学院， ２００３． ［１１］ 刘 羽，彭明生． 磷灰石结构替换的研究进展［Ｊ］． 岩石矿物学 杂志，２００３（４） ４１３－４１５． ［１２］ 许 涛，刘 羽，黄志良，等． 氯羟磷灰石固溶体的 ＸＲＤ 研究 ［Ｊ］． 武汉工程大学学报，２００８（１）５５－５８． ［１３］ 许 涛，刘 羽，黄志良． 氯羟磷灰石中羟基的 ＦＴＩＲ 研究［Ｊ］． 岩石矿物学杂志，２００７（４） ３７１－３７４． ［１４］ 黄志良，刘 羽，王大伟，等． 通道离子替换磷灰石固溶体比较晶 体化学 ＸＲＤ 研究［Ｊ］． 无机化学学报，２００２（１０）９７６－９８０． ［１５］ Ｃｏｍｏｄｉ Ｐ， Ｌｉｕ Ｙ， Ｚａｎａｚｚｉ Ｆ Ｐ， ｅｔ ａｌ． Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ ｂｅ⁃ ｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ｆｌｕｏｒａｐａｔｉｔｅ ｗｉｔｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ． Ｐａｒｔ Ｉ ｉｎ ｓｉｔｕ ｓｉｎｇｌｅ⁃ｃｒｙｓｔａｌ Ｘ⁃ ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｍｉｎｅｒａｌｓ， ２８（４）２１９－２２４． ［１６］ 许 涛，刘 羽． 氟氯磷灰石固溶体的 ＸＲＤ 研究［Ｊ］． 材料科学 与工程学报，２００７（３）４４９－４５２． ［１７］ Ｃｕｉ⁃ｈｕａ ＺＨＡＯ， Ｊｉａｎ⁃ｈｕａ ＣＨＥＮ， Ｙｕ⁃ｑｉｏｎｇ ＬＩ， ｅｔ ａｌ． Ｆｉｒｓｔ⁃ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｏ２ｗｉｔｈ ｐｙｒｉｔｅ， ｍａｒｃａｓｉｔｅ ａｎｄ ｐｒｒｈｏｔｉｔｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ， ２０１６（２）５１９－５２６． ３７第 ３ 期朱晓波等 钒钛磁铁矿弱磁富集⁃酸浸提钒研究
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