Ванадий

Содержание
Введение
Физико-химические свойства ванадия
Минералы и месторождения ванадия
Получение ванадия
Способы обработки
Области применения
Список использованной литературы.

Ванадий

Роскоэлит (KV2[AlSi3O10](OH)2) - ванадийсодержащая слюда. Этот минерал встречается в некоторых богатых золотоносных жилах, но наиболее важным источником являются песчаники в штатах Колорадо и Юта, США. Также месторождения известны в Западной Австралии и России. Роскоэлит содержит 20% V2O5.Патронит (V2S5) – сульфид ванадия. Известно лишь одно крупное месторождение в Перуанских Андах. Содержит 19-25 % V2O5. Ванадинит (Рb4(VO4)3∙PbС1) встречается в зоне окисления свинцово-цинковых сульфидных месторождений. Содержит 19% V2O5. Крупнейшие месторождения находятся в Юго-Западной Африке. Карнотит (K2(U02)2[V04]2∙3H20) – гидратированный калийуранилванадат, распространен в зоне выветривания осадочных пород, главным образом песчаников, обогащенных органическими остатками. Известные месторождения находятся в США. В добываемой руде содержится 1,5-2,0% V2O5. К этому же типу уранилванадатов относится тюямунит Ca(U02)2[V04]2∙8Н20, образующийся за счет замещения в карнотите калия на кальций. В рассеянном состоянии ванадий находится в образованиях магматического и осадочного происхождения, которые представлены ниже.Магнетиты и титаномагнетитовые руды, в которых ванадий изоморфно замещает железо (радиусы ионов V3+ и Fe3+ соответственно 0,065 и 0,067 нм). Содержание ванадия (в пересчете на V2O5) в титаномагнетитах различных месторождений колеблется от 0,2 до 1,8%, титана - от 10 до 20% в пересчете на TiO2. Крупные месторождения титаномагнетитов найдены также в США, Финляндии, КНР, Индии.Бокситы часто содержат ванадий. Некоторые алюминиевые заводы предусматривают попутное получение ванадиевых концентратов.Железофосфористые руды многих месторождений содержат до 0,1 % V2O5. В рудах этого типа ванадий, по всей вероятности, изоморфно замещает фосфор. Ванадийсодержащие фосфориты (до 0,3 % V2O5 и до 34 % Р205) представлены огромными залежами в США (штаты Айдахо, Монтана, Юта, Вайоминг). Предполагается, что ванадий в них присутствует в углеводородах органического вещества, содержание которого в фосфоритах достигает 10-15%.Также ванадий концентрируется в битумах, нефти, горючих сланцах. В золе венесуэльской нефти 5-35% V2O5, иранской – около 5 %. В России основной источник ванадия - железные руды.Получение ванадияПроблема промышленного получения ванадия в основном решена использованием рассеянного ванадия, встречающегося в железных рудах. При доменной плавке ванадийсодержащих железных руд или агломератов после магнитного обогащения получается ванадиевый чугун, в который переходит 80-85% ванадия.Извлечение ванадия из чугуна состоит из следующих стадий:1) получение обогащенного ванадием шлака в процессе передела чугуна в сталь;2) переработка ванадиевого шлака;3) окислительный обжиг;4) выщелачивание;5) осаждение металла из растворов;6) рафинирование.Ванадий и другие примеси, находящиеся в чугуне - кремний, марганец, хром, фосфор - в составе оксидов переходят в шлак. Поэтому для получения шлаков с высоким содержанием оксидов ванадия стремятся выплавлять чугуны с низким содержанием кремния и марганца и повышенным содержанием ванадия. Состав ванадиевого шлака зависит от характера руды, из которой выплавлен чугун.Извлечение ванадия из фосфористого чугуна. Богатые ванадием шлаки (до 4-5 % V) получают при переделе фосфористого чугуна в две стадии. Сначала продувают чугун в конвертере с кислой футеровкой. В первую очередь окисляется ванадий, который переходит в образующийся шлак. Ванадиевый шлак сливают и ведут дальнейший передел чугуна в конвертере с основной (доломитовой) футеровкой, дополнительно вводят в конвертер известь. При этом получают фосфористые (томасовские) шлаки с содержанием до 20 % P2O5, используемые после помола в качестве удобрений.Извлечение ванадия из предельных шлаков. Ванадиевые шлаки представляют собой ванадиевые концентраты, относительно легко перерабатываемые на оксид ванадия или ванадат кальция, поскольку при переделе чугуна на сталь ванадиевые шлаки получают попутно. Это обусловливает сравнительно низкую себестоимость ванадия в шлаках. Оксид ванадия, получаемый из шлаков, может конкурировать с оксидом ванадия, получаемым из богатых ванадиевых руд и концентратов. Ванадиевый шлак содержит: до 18% V2O5, 19-20% FeO,10-25% МnО, 12-30% Si02, 4-6% Ti02, 5-15% Сr2О3, 10-20% CaO.Ванадиевые шлаки перерабатывают следующими способами:1) окислительным обжигом с хлоридом натрия или сильвинитом;2) окислительным обжигом с карбонатом натрия;3) хлорированием.При переработке высокоизвестковых шлаков (содержание СаО выше 10 %) обжиг с содой дает более высокое извлечение, чем обжиг с поваренной солью. Хлорированием извлекают из конверторных шлаков наряду с ванадием титан. При обжиге с хлоридами или содой ванадий образует водорастворимые ванадаты, при переработке хлорированием получается оксохлорид ванадия.Окислительный обжиг с хлоридами. Установлено, что при температуре выше 800-850°С в окислительной атмосфере реакция2NaCl + 0,502 = Na20 + Cl2значительно ускоряется в присутствии оксидов железа, марганца и особенно ванадия. Образующийся Na20 реагирует с V2O5. Окислительная атмосфера в зоне обжига способствует окислению ванадия. Оксотрихлорид ванадия, а также хлориды железа, марганца неустойчивы при температуре обжига и переходят в присутствии кислорода в оксид. Если в шихте NaCl столько, сколько необходимо для реакции с V2O5, то примеси кремния, фосфора и хрома переходят в раствор незначительно, так как NaCl в этих условиях избирательно реагирует с соединениями ванадия.Шихта для обжига состоит из измельченного до размера частиц 0,2 мм шлака и хлорида натрия. Более грубое дробление требует большей продолжительности обжига, интенсивного перемешивания, уменьшения толщины слоя шихты. Более мелкий помол способствует образованию легкоплавкого силиката натрия. Появляющаяся жидкая фаза вызывает спекание шихты, ухудшает условия окисления шлака и, в конечном счете, снижает извлечение ванадия. Спекаемость шихты можно уменьшить, если предварительно ее гранулировать. При этом извлечение водорастворимого ванадия повышается от 80-88 % до 95 %. Добавляют хлорид в количестве 8-10 % от массы шлака.Вскрытие шлака улучшается при добавке в шихту селитры для более полного окисления ванадия. Предварительный окислительный обжиг шлака перед обжигом с хлоридами также увеличивает степень перевода ванадия в водорастворимую форму. Шпинель, в которой сосредоточен весь ванадий, представляет собой твердый раствор замещения следующих основных компонентов: FeV204, FeCr204, FeFe204. При окислении шпинеля распадается твердый раствор, образуя новые минеральные виды этих элементов. Неполнота извлечения ванадия из шлака объясняется частичным сохранением неокисленных зерен шпинели в обожженном шлаке, а также присутствием ванадия в качестве изоморфной примеси в составе нерастворимых в воде и слабой серной кислоте соединений железа, хрома, титана. Температура обжига не должна превышать 900 °С. При более высокой температуре шихта плавится, превращаясь в аморфную стекловидную массу, из которой извлекать ванадий очень трудно. Стеклование происходит тем легче, чем больше кремнекислоты содержит шлак. При температуре ниже 800°С выход ванадия падает.Чтобы шихта хорошо перемешивалась и был контакт с окислительной атмосферой, ее спекают в трубчатых вращающихся печах. Печь футеруют шамотным кирпичом. Обогревают ее за счет сжигания генераторного газа или мазута. Весьма эффективно спекание в печи с кипящим слоем ввиду лучшего контакта твердой и газообразной фаз. После обжига шихта поступает в трубчатый холодильник, а затем на выщелачивание. Отходящие газы содержат хлор, поэтому их направляют на нейтрализацию.Выщелачивание. Обожженный материал выщелачивают водой или последовательно водой и разбавленной серной кислотой (6-8%). Кислотное выщелачивание позволяет извлечь из спека ванадий, не окислившийся в процессе спекания с хлоридами. Водные растворы содержат NaV03, примеси фосфора (Na2HP04), кремния (Na2Si03) и хрома (Na2Cr04). При кислотном выщелачивании в растворе образуются соли ванадила VOS04. В случае спекания шпаков с содой переход примесей в раствор выше, чем в случае спекания с хлористыми солями.Выщелачивают спек преимущественно в пневматических выщелачивателях - пачуках. Для непрерывного выщелачивания применяют батарею из нескольких пачуков, связанных друг с другом с верхней части сливными лотками или патрубками. В первый аппарат - смеситель поступают шпак и вода в соотношении 1:2. По мере заполнения его избыток пульпы стекает в следующий аппарат. Из последнего выщелачивателя пульпа самотеком поступает на вакуум-фильтры. Здесь отделяют твердые остатки шихты - хвосты, промывают их и направляют на дальнейшую переработку. Хвосты содержат не более 0,05% ванадия. Выщелачиватели бывают деревянные, стальные с футеровкой из керамических плиток, железобетонные. Всего в раствор извлекается 90-92 % ванадия.Осаждение ванадия из растворов. Для выделения ванадия из растворов предложены методы осаждения его в составе гидратированного оксида или солей. Выбор метода зависит от природы сырья, способа его переработки, концентрации растворов и других причин. Растворы после выщелачивания в зависимости от состава шпаков содержат 5-35 г/л V2O5. Наибольшее распространение получило выделение ванадия в составе:а) гидратированного оксида ванадия;б) ванадата кальция;в) ванадата железа;г) ванадата аммония.Из растворов, содержащих более 20 г/л V2O5, целесообразно выделить гидратированный V2O5 как соединение с большим содержанием V2O5. Из более бедных растворов выгоднее осаждать ванадаты - значительно менее растворимые соединения, чем V2O5. В процессе гидролиза непрерывно изменяется кислотность, поэтому необходимо постоянно регулировать рН раствора добавлением щелочи. После добавления щелочи раствор нагревают и выдерживают 2-4 ч при 95°С. Если ванадий в процессе обжига окислился не полностью, то в кислых растворах он может находиться в составе VOS04. Для окисления соли ванадила до соединений ванадия в раствор перед нейтрализацией добавляют окислители, например хлорат калия. При осаждении ванадия из щелочных растворов в них добавляют серную кислоту до нейтральной или слабокислой реакции. Учитывают, что в процессе кипячения раствора и выпадения гидратированного оксида ванадия кислотность значительно повышается.При соблюдении оптимальных условий из растворов, содержащих более 20 г/л V205, может быть осаждено до 98% V205. Осаждение ведут в реакторах, футерованных керамической плиткой. После отстаивания осадка V205∙nH20 маточный раствор декантируют, осадок репульпируют и подают на плоский вакуум-фильтр. Во избежание коллоидообразования осадок на фильтрах промывают водой, 1 % NH4Cl. Сушат V205 при 450-500°С. Высушенный V205 переплавляют в ванной плавильной печи при 700-800°С. При плавлении удаляются некоторые примеси, например S03.