一种高铬钒溶液联产高品质五氧化二钒和三氧化二铬的方法与流程

1.本发明属于化工技术领域，更具体地说，本发明涉及一种高铬钒溶液联产高品质五氧化二钒和三氧化二铬的方法。


背景技术：

2.钒与铬都是重要的战略资源，皆具有广泛的应用领域和应用前景，且钒与铬同属第四周期过渡元素，其化学性质相似，在自然界中常以共生形式存在于矿物中，致使钒与铬难以分离。钒钛磁铁矿中的钒与铬经火法提钒后进入钒渣，且以尖晶石形态存在于钒渣中。目前国内钒渣钠化焙烧和钙化焙烧工艺主要针对钒的提取与回收，铬元素则进入沉钒废水，经废水处理工艺后转化为低价值铬废物堆存于渣场或低价外销。铬元素未能有效回收利用，其潜在经济效益未能被发掘，且铬废物的处置需增加大量“三废”处理成本。由此，中国专利cn110436523a采用有机酸调节钒铬溶液ph值后加入沉钒剂，固液分离，固体经煅烧制备五氧化二钒产品，液体中加入氧化剂和除钒剂后通入大量二氧化碳除杂后浓缩结晶制备铬酸钠。此法虽有效分离钒铬且将铬转化为高价值铬酸钠产品，但工艺流程较长，且需消耗大量有机酸，成本较高。中国专利cn105506285a采用钙盐或铁盐作沉钒剂分离钒后，再加入碳酸钡或氢氧化钡作为沉铬剂，将铬转化为铬酸钡后再经硫酸浸出得铬的酸性溶液。此法引入重金属元素钡，且因硫酸钡无法回收循环利用，成本高，经济效益低，不适于大型工业生产。中国专利cn104357671a采用硫酸调节钒铬溶液ph值后加入三聚氰胺作为沉钒剂，固液分离，固体经煅烧制备五氧化二钒，液体经除杂后蒸发浓缩制备铬酸钠晶体。此法工艺流程较短，且可有效回收铬元素，但需消耗有机物三聚氰胺，成本较高。中国专利 cn103773956a采用还原剂将钒铬溶液中钒与铬全部还原沉淀后，再将沉淀高温煅烧，用盐酸溶液浸出煅烧产物中的钒，使绝大部分钒进入液体中，此液体经氧化后可制备五氧化二钒产品；而铬以三氧化二铬形式留存于固相中，经洗涤干燥后可作为铬产品。此法工艺流程较短，工艺过程简单，但钒铬同时还原沉淀导致后续工艺难以彻底分离钒与铬，所得铬产品质量不高。
3.综合现有钒铬资源利用工艺，未能有效实现钒铬分离和产品高值化，回收铬资源的工艺复杂、产品质量差、废水产生量大，无法实现钒、铬资源的有效分离和耦合联产。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
5.为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高铬钒溶液联产高品质五氧化二钒和三氧化二铬的方法，包括以下步骤：
6.步骤一、高铬钒渣钠化焙烧得到熟料，将熟料用水浸取得到高铬钒溶液，向高铬钒溶液中加入脱杂剂，将高铬钒溶液中的硅、磷杂质转化为不溶性沉淀除去；
7.步骤二、向步骤一所得溶液中加入含钙沉钒剂，调节溶液ph值，搅拌保温后，溶液
中的钒转化为钒酸钙，固液分离，固体为钒酸钙，液体为不含钒的纯净溶液；
8.步骤三、向步骤二所得溶液中加入还原剂，在一定温度下搅拌反应，溶液中的六价铬转化为氢氧化铬，固液分离，固体为用于煅烧制备高纯三氧化二铬的氢氧化铬，液体为不含还原性物质的硫酸钠溶液；
9.步骤四、将步骤二所得钒酸钙固体经步骤三所得硫酸钠溶液制浆后，制备得到用于制备高纯五氧化二钒的高纯钒溶液。
10.优选的是，其中，其特征在于，所述步骤一中使用的脱杂剂为硫酸铝，其中，加入硫酸铝的量为按单质铝∶单质硅和单质磷的摩尔比＝2～10∶1；高铬钒溶液中铬含量为5～150g/l。
11.优选的是，其中，所述步骤二中用碱性或酸性物质调节溶液ph值，酸性物质为硫酸，碱性物质为氢氧化钠，搅拌于30～100℃时保温20～150min；所述含钙沉钒剂为氧化钙、氢氧化钙中的一种。
12.优选的是，其中，其特征在于，所述步骤三中，还原剂为无机还原剂为硫化钠、硫磺、硫代硫酸钠、亚硫酸钠、焦亚硫酸钠，或有机还原剂如淀粉、蔗糖、麦芽糖、甲醛、甲醇等中的至少一种。
13.优选的是，其中，所述步骤三中，还原剂的加入量为按还原剂∶六价铬理论量的0.8～1.0倍；加入还原剂后，在在50℃～300℃温度下搅拌反应 20～160min。
14.优选的是，其中，其特征在于，所述步骤三中，得到的硫酸钠溶液ph 值为5～13.5；
15.所述步骤四中制备得到高纯钒溶液的方法为采用硫酸酸浸法或铵盐碱浸法。
16.优选的是，其中，所述步骤三中，氢氧化铬煅烧制备高纯三氧化二铬的方法包括以下步骤：
17.步骤s31、使用热水对氢氧化铬固体进行洗涤，洗涤后将氢氧化铬挤压成饼状，厚度为15～32mm；将饼状氢氧化铬横向切割为2～5mm的氢氧化铬薄饼，将氢氧化铬薄饼放置在烘干装置中进行烘干，烘干温度为110～180℃；
18.步骤s32、对烘干后的氢氧化铬薄饼进行初步研磨，加入石英砂作为助磨剂，对研磨后的氢氧化铬进行筛选，得到氢氧化铬粗料；
19.步骤s33、将步骤s42研磨得到的氢氧化铬粗料加入浆化池中，向浆化池中加水，水的加入量为氢氧化铬粗料质量的0.8～1.5倍，搅拌成氢氧化铬浆液，搅拌后进行超声波处理，控制超声波频率为36000～44000hz；超声处理 1～2.5h后，继续搅拌1.2～2h，搅拌速度为800～1200rpm；
20.步骤s34、对步骤s43制得的氢氧化铬浆液进行过滤、蒸发浓缩、洗涤，再次压制为2mm～5mm的氢氧化铬薄饼，然后将氢氧化铬薄饼放置在烘干机中进行二次烘干；
21.步骤s35、将二次烘干的氢氧化铬薄饼进行粉碎，研磨后放入回转窑或煅烧炉中，在氮气氛围下进行煅烧，煅烧温度500～1100℃，氢氧化铬分解为三氧化二铬。
22.优选的是，其中，所述步骤四中，高纯钒溶液制备五氧化二钒的方法包括以下步骤：
23.步骤s41、将步骤四制得的高纯钒溶液加热至45～55℃，向高纯钒溶液中加入氯化铵粉末，氯化铵粉末的加入量为钒酸钙固体质量的3.5～4.7倍，搅拌 1h后静置，溶液分层，纯钒溶液中的钒以偏钒酸铵形式形成沉淀，固液分离；
24.步骤s42、向偏钒酸铵沉淀中加入质量分数为3％的氯化铵溶液，搅拌 1～1.5h后静置，测定上层清液中钒离子的浓度，当上层清液中钒离子浓度小于0.08g/l时，进行固液分离，得到偏钒酸铵沉淀；
25.步骤s43、将步骤s42得到的偏钒酸铵沉淀进干燥、脱水处理，得到含水量低于9％的偏钒酸铵晶体；对偏钒酸铵晶体在500～600℃的温度下进行煅烧，煅烧时间2～4h，得到五氧化二钒。
26.本发明至少包括以下有益效果：相较于现有钒铬溶液分离并制备钒、铬产品的处理方案，本发明优势在于：经钙法沉钒进行彻底的钒铬分离后，以略低于理论量的还原剂和水热反应环境下，利用六价铬的强氧化性在实现铬还原析出的同时确保滤液中不含有还原性物质，该滤液直接用于钒酸钙的酸浸或铵浸，相当于生产三氧化二铬过程不产生任何废水。且产出的氢氧化铬杂质含量低、易于滤洗，经煅烧后转化为不含钒、硅、铝等杂质的高品质三氧化二铬。原溶液中的钒以钒酸钙经酸浸或铵浸后可生产高品质五氧化二钒。成功实现高铬钒溶液体系耦合联产高品质五氧化二钒和三氧化二铬，钒铬资源均能得到高值化利用。
27.本发明在用氢氧化铬煅烧制备三氧化二铬时，对氢氧化铬进行浆化处理，并对氢氧化铬浆液进行超声波处理，降低浆液中氢氧化铬颗粒的团聚性，提高了后续粉碎、煅烧氢氧化铬制备三氧化二铬的效率，使得制备得到的三氧化二铬粉末粒径更小、更均匀。本发明对氢氧化二铬进行分散时，使用改性聚乙二醇和硬质酰胺为主要原料，并且在制备改性聚乙二醇时，通过马来酸酐对聚乙二醇进行改性，提高了聚乙二醇的分散性能，与硬质酰胺混合后使用，对氢氧化铬浆液具有极佳的分散效果。
28.本发明公开的的五氧化二钒的制备方法，可以制备得到高纯且粒径小的五氧化二钒。
29.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
30.下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
31.应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
32.实施例1：
33.一种高铬钒溶液联产高品质五氧化二钒和三氧化二铬的方法，包括以下步骤：
34.高铬钒渣钠化焙烧得到熟料，将熟料用水浸取得到高铬钒溶液，取高铬钒溶液(钒含量为56g/l，铬含量为72g/l)1000ml，加入硫酸铝12.2g后，固液分离，液体为不含硅、磷杂质的高铬钒溶液。用氢氧化钠调节所得液体 ph值为9.5后，加入103.61g氧化钙，搅拌加热至80-100℃时保温120min，溶液中钒转化为钒酸钙，固液分离，固体为钒酸钙，液体为不含钒的高浓度铬溶液。向铬溶液中加入硫磺25.84g，搅拌，加热至120℃反应90min后，固液分离，固体经1000℃煅烧后制备得到纯度为99.11％的三氧化二铬，液体为硫酸钠溶液。将沉钒获得的钒酸钙加入硫酸钠溶液中制浆，再加入硫酸调节浆液的ph值为2.5，固液分离，液
体为高浓度钒溶液，钒含量为65g/l，经铵盐沉钒工艺制备纯度为99.71％的五氧化二钒。
35.实施例2：
36.一种高铬钒溶液联产高品质五氧化二钒和三氧化二铬的方法，包括以下步骤：
37.高铬钒渣钠化焙烧得到熟料，将熟料用水浸取得到高铬钒溶液，取高铬钒溶液(钒含量为56g/l，铬含量为72g/l)2000ml，加入硫酸铝25.8g后，固液分离，液体为不含硅、磷杂质的高铬钒溶液。用氢氧化钠调节所得液体 ph值为10.5后，加入243.98g硫酸钙，搅拌加热至80-100℃时保温120min，溶液中钒转化为钒酸钙，固液分离，固体为钒酸钙，液体为不含钒的高浓度铬溶液。向铬溶液中加入硫化钠58.73g,搅拌，加热至200℃反应60min后，固液分离，固体经1100℃煅烧后制备得到纯度为99.27％的三氧化二铬，液体为硫酸钠溶液。将沉钒获得的钒酸钙加入硫酸钠溶液中制浆，再加入硫酸调节浆液的ph值为3，固液分离，液体为高浓度钒溶液，钒含量为53g/l，经铵盐沉钒工艺制备纯度为99.23％的五氧化二钒。
38.实施例3：
39.一种高铬钒溶液联产高品质五氧化二钒和三氧化二铬的方法，包括以下步骤：
40.高铬钒渣钠化焙烧得到熟料，将熟料用水浸取得到高铬钒溶液，取高铬钒溶液(钒含量为56g/l，铬含量为72g/l)1500ml，加入硫酸铝19.6g后，固液分离，液体为不含硅、磷杂质的高铬钒溶液。用氢氧化钠调节所得液体 ph值为11.2后，加入145.66g氢氧化钙，搅拌加热至80-100℃时保温120min，溶液中钒转化为钒酸钙，固液分离，固体为钒酸钙，液体为不含钒的高浓度铬溶液。向铬溶液中加入淀粉42.12g，搅拌，加热至240℃反应180min后，固液分离，固体经1400℃煅烧后制备得到纯度为99.38％的三氧化二铬，液体为硫酸钠溶液。将沉钒获得的钒酸钙加入硫酸钠溶液中制浆，再加入硫酸调节浆液的ph值为3.5，固液分离，液体为高浓度钒溶液，钒含量为71g/l，经铵盐沉钒工艺制备纯度为99.02％的五氧化二钒。
41.实施例4：
42.一种高铬钒溶液联产高品质五氧化二钒和三氧化二铬的方法，包括以下步骤：
43.高铬钒渣钠化焙烧得到熟料，将熟料用水浸取得到高铬钒溶液，取高铬钒溶液(钒含量为56g/l，铬含量为72g/l)1000ml，加入硫酸铝12.2g后，固液分离，液体为不含硅、磷杂质的高铬钒溶液。用氢氧化钠调节所得液体 ph值为9.5后，加入103.61g氧化钙，搅拌加热至80-100℃时保温120min，溶液中钒转化为钒酸钙，固液分离，固体为钒酸钙，液体为不含钒的高浓度铬溶液。向铬溶液中加入硫磺25.84g，搅拌，加热至120℃反应90min后，固液分离，固体经1000℃煅烧后制备得到纯度为99.03％的三氧化二铬，液体为硫酸钠溶液。将沉钒获得的钒酸钙加入硫酸钠溶液中制浆，再加入硫酸调节浆液的ph值为2.5，固液分离，液体为高浓度钒溶液，钒含量为65g/l，经铵盐沉钒工艺制备纯度为99.63％的五氧化二钒。
44.其中，高纯三氧化二铬的制备方法包括以下步骤：
45.步骤s31、使用热水对氢氧化铬固体进行洗涤，洗涤后将氢氧化铬挤压成饼状，厚度为25mm；将饼状氢氧化铬横向切割为3mm的氢氧化铬薄饼，将氢氧化铬薄饼放置在烘干装置中进行烘干，烘干温度为120℃；
46.步骤s32、对烘干后的氢氧化铬薄饼进行初步研磨，加入石英砂作为助磨剂，对研磨后的氢氧化铬进行筛选，得到氢氧化铬粗料；
47.步骤s33、将步骤s42研磨得到的氢氧化铬粗料加入浆化池中，向浆化池中加水，水的加入量为氢氧化铬粗料质量的1.5倍，搅拌成氢氧化铬浆液，搅拌后进行超声波处理，控
制超声波频率为36000hz；超声处理1h后，继续搅拌1.3h，搅拌速度为900rpm；
48.步骤s34、对步骤s43制得的氢氧化铬浆液进行过滤、蒸发浓缩、洗涤，再次压制为3mm的氢氧化铬薄饼，然后将氢氧化铬薄饼放置在烘干机中进行二次烘干；
49.步骤s35、将二次烘干的氢氧化铬薄饼进行粉碎，研磨后放入回转窑或煅烧炉中，在氮气氛围下进行煅烧，煅烧温度1000℃，氢氧化铬分解为三氧化二铬。
50.其中，高纯钒溶液制备五氧化二钒的方法包括以下步骤：
51.步骤s41、将步骤四制得的高纯钒溶液加热至48℃，向高纯钒溶液中加入氯化铵粉末，氯化铵粉末的加入量为钒酸钙固体质量的4倍，搅拌1h后静置，溶液分层，纯钒溶液中的钒以偏钒酸铵形式形成沉淀，固液分离；
52.步骤s42、向偏钒酸铵沉淀中加入质量分数为3％的氯化铵溶液，搅拌 1.5h后静置，测定上层清液中钒离子的浓度，当上层清液中钒离子浓度小于 0.08g/l时，进行固液分离，得到偏钒酸铵沉淀；
53.步骤s43、将步骤s42得到的偏钒酸铵沉淀进干燥、脱水处理，得到含水量低于9％的偏钒酸铵晶体；对偏钒酸铵晶体在550℃的温度下进行煅烧，煅烧时间2h，得到五氧化二钒。
54.取10g制备得到的三氧化二铬粉末，测定三氧化二铬粉末的粒径，测定结果表明粒径小于18nm的三氧化二铬粉末占全部三氧化二铬粉末体积的 90.46％。
55.实施例5：
56.一种高铬钒溶液联产高品质五氧化二钒和三氧化二铬的方法，包括以下步骤：
57.高铬钒渣钠化焙烧得到熟料，将熟料用水浸取得到高铬钒溶液，取高铬钒溶液(钒含量为56g/l，铬含量为72g/l)1000ml，加入硫酸铝12.2g后，固液分离，液体为不含硅、磷杂质的高铬钒溶液。用氢氧化钠调节所得液体 ph值为9.5后，加入103.61g氧化钙，搅拌加热至80-100℃时保温120min，溶液中钒转化为钒酸钙，固液分离，固体为钒酸钙，液体为不含钒的高浓度铬溶液。向铬溶液中加入硫磺25.84g，搅拌，加热至120℃反应90min后，固液分离，固体经1000℃煅烧后制备得到纯度为99.17％的三氧化二铬，液体为硫酸钠溶液。再加入硫酸调节浆液的ph值为2.5，固液分离，液体为高浓度钒溶液，钒含量为65g/l，经铵盐沉钒工艺制备纯度为99.52％的五氧化二钒。
58.其中，高纯三氧化二铬的制备方法包括以下步骤：
59.步骤s31、使用热水对氢氧化铬固体进行洗涤，洗涤后将氢氧化铬挤压成饼状，厚度为18mm；将饼状氢氧化铬横向切割为2mm的氢氧化铬薄饼，将氢氧化铬薄饼放置在烘干装置中进行烘干，烘干温度为150℃；
60.步骤s32、对烘干后的氢氧化铬薄饼进行初步研磨，加入石英砂作为助磨剂，对研磨后的氢氧化铬进行筛选，得到氢氧化铬粗料；
61.步骤s33、将步骤s42研磨得到的氢氧化铬粗料加入浆化池中，向浆化池中加水，水的加入量为氢氧化铬粗料质量的1.5倍，搅拌成氢氧化铬浆液，搅拌后进行超声波处理，控制超声波频率为41000hz；超声处理2.5h后，继续搅拌1.5h，搅拌速度为1200rpm；
62.步骤s34、对步骤s43制得的氢氧化铬浆液进行过滤、蒸发浓缩、洗涤，再次压制为3mm的氢氧化铬薄饼，然后将氢氧化铬薄饼放置在烘干机中进行二次烘干；
63.步骤s35、将二次烘干的氢氧化铬薄饼进行粉碎，研磨后放入回转窑或煅烧炉中，
在氮气氛围下进行煅烧，煅烧温度1000℃，氢氧化铬分解为三氧化二铬。
64.其中，高纯钒溶液制备五氧化二钒的方法包括以下步骤：
65.步骤s41、将步骤四制得的高纯钒溶液加热至55℃，向高纯钒溶液中加入氯化铵粉末，氯化铵粉末的加入量为钒酸钙固体质量的4.2倍，搅拌1h后静置，溶液分层，纯钒溶液中的钒以偏钒酸铵形式形成沉淀，固液分离；
66.步骤s42、向偏钒酸铵沉淀中加入质量分数为3％的氯化铵溶液，搅拌 1.5h后静置，测定上层清液中钒离子的浓度，当上层清液中钒离子浓度小于 0.08g/l时，进行固液分离，得到偏钒酸铵沉淀；
67.步骤s43、将步骤s42得到的偏钒酸铵沉淀进干燥、脱水处理，得到含水量低于9％的偏钒酸铵晶体；对偏钒酸铵晶体在600℃的温度下进行煅烧，煅烧时间2h，得到五氧化二钒。
68.取10g制备得到的三氧化二铬粉末，测定三氧化二铬粉末的粒径，测定结果表明粒径小于18nm的三氧化二铬粉末占全部三氧化二铬粉末体积的 91.27％。
69.对比例：
70.一种高铬钒溶液联产高品质五氧化二钒和三氧化二铬的方法，包括以下步骤：
71.高铬钒渣钠化焙烧得到熟料，将熟料用水浸取得到高铬钒溶液，取高铬钒溶液(钒含量为56g/l，铬含量为72g/l)1000ml，加入硫酸铝12.2g后，固液分离，液体为不含硅、磷杂质的高铬钒溶液。用氢氧化钠调节所得液体 ph值为9.5后，加入103.61g氧化钙，搅拌加热至80-100℃时保温120min，溶液中钒转化为钒酸钙，固液分离，固体为钒酸钙，液体为不含钒的高浓度铬溶液。向铬溶液中加入硫磺25.84g，搅拌，加热至120℃反应90min后，固液分离，固体经1000℃煅烧后制备得到纯度为99.17％的三氧化二铬，液体为硫酸钠溶液。再加入硫酸调节浆液的ph值为2.5，固液分离，液体为高浓度钒溶液，钒含量为65g/l，经铵盐沉钒工艺制备纯度为99.52％的五氧化二钒。
72.其中，高纯钒溶液制备五氧化二钒的方法包括以下步骤：
73.步骤s41、将步骤四制得的高纯钒溶液加热至55℃，向高纯钒溶液中加入氯化铵粉末，氯化铵粉末的加入量为钒酸钙固体质量的4.2倍，搅拌1h后静置，溶液分层，纯钒溶液中的钒以偏钒酸铵形式形成沉淀，固液分离；
74.步骤s42、向偏钒酸铵沉淀中加入质量分数为3％的氯化铵溶液，搅拌 1.5h后静置，测定上层清液中钒离子的浓度，当上层清液中钒离子浓度小于 0.08g/l时，进行固液分离，得到偏钒酸铵沉淀；
75.步骤s43、将步骤s42得到的偏钒酸铵沉淀进干燥、脱水处理，得到含水量低于9％的偏钒酸铵晶体；对偏钒酸铵晶体在500℃的温度下进行煅烧，煅烧时间2h，得到五氧化二钒。
76.取10g制备得到的三氧化二铬粉末，测定三氧化二铬粉末的粒径，测定结果表明粒径小于18nm的三氧化二铬粉末占全部三氧化二铬粉末体积的 68.43％。
77.这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
78.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地
实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。