新型離心萃取機在釩萃取中的應(yīng)用

　　師蘇城，高艷芳，李瑞琛，李國偉，劉麗麗，彩倩杰

　　(鄭州天一萃取科技有限公司，河南鄭州450001)

　　摘要：CWL-M型離心萃取機作為一種新型的高效萃取設(shè)備，具有處理效率高，存液量小，占地面積小，易連續(xù)操作等優(yōu)點。研究其用于釩萃取，結(jié)果表明：在保證兩相分相正常，P507萃取劑不乳化的前提下，進行五級逆流萃取，控制離心萃取機轉(zhuǎn)速2800r/min，兩相流比O/A=2/1，釩萃取率可達99.5%以上。

　　關(guān)鍵詞：離心萃取機;P507;溶劑萃取;釩

　　doi：10.3969/j.issn.1008-553X.2022.04.019

　　中圖分類號：TF351;X705??文獻標(biāo)識碼：B??文章編號：1008-553X(2022)04-0076-04

　　釩作為一種重要的戰(zhàn)略金屬，素有“工業(yè)味精”之稱，廣泛應(yīng)用于機械、造船、鐵路、航空、催化劑、釩電池等領(lǐng)域"，其中超過90%的釩是以釩鐵、釩氮、氮化釩鐵等合金形式添加到鋼鐵生產(chǎn)中。我國作為鋼鐵生產(chǎn)大國，攀鋼、承德鋼鐵等鋼產(chǎn)量較大的企業(yè)每年都會產(chǎn)出大量含釩鋼渣，如何低成本綠色高效回收釩渣中的釩資源，是保證我國釩工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。

　　相較于傳統(tǒng)的鈉化焙燒、鈣化焙燒、無鹽焙燒、復(fù)合鹽焙燒等各種“焙燒-浸出-沉釩”工藝，隨著濕法冶金技術(shù)的提高，直接浸出提釩工藝逐漸應(yīng)用于釩渣提釩[3-5]。為進一步降低生產(chǎn)成本，綠色高效回收釩渣中的釩資源，選用工業(yè)中生產(chǎn)鈦白粉后產(chǎn)生的廢酸作為浸出用酸進行提釩，并用溶劑萃取法提純、富集浸出液中的釩，生產(chǎn)出純度較高的五氧化二釩產(chǎn)品[6-8]。近年來溶劑萃取法提釩的工藝研究取得顯著進展，其中P507萃取劑以其出色的萃取能力、選擇性好和成本較低等優(yōu)勢，在釩萃取工業(yè)中廣泛應(yīng)用。

　　釩萃取常依靠反應(yīng)釜、萃取槽等設(shè)備來完成，存在占地面積大、間歇操作、停留時間長、分相困難等問題，造成釩萃取率低，有機溶劑損失大，產(chǎn)能提升受限。離心萃取機作為一種新型的高效液-液萃取設(shè)備，具備易連續(xù)操作、存液量小、占地面積小、停留時間短、平衡速度快、級效率高等優(yōu)點，在液-液萃取過程中有著廣闊的應(yīng)用前景[9-10]。

　　本文對萃釩的最佳工藝條件以及萃取過程中離心萃取機的流體力學(xué)性能和萃取性能進行了研究，以探索離心萃取機在釩萃取領(lǐng)域大規(guī)模推廣使用的可行性。

　　1實驗部分

　　1.1 試劑與原料

　　萃取劑P507、仲辛醇、260號溶劑油，工業(yè)級;含釩料液：四川某公司采用鈦白廢酸浸出鋼廠含釩鋼渣后所得，pH=3.08，主要成分如表1。

表1含釩浸出液主要化學(xué)成分(單位：g·L-1)

　　1.2 儀器與設(shè)備

　　PHS-3C型pH計，雷磁公司;SHA-BA型水浴恒溫振蕩器;TAS-990型火焰原子吸收分光光度計(AAS)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

圖1離心萃取機工作原理圖

　　CWL50-M實驗型離心萃取機，鄭州天一萃取科技有限公司，其工作原理如圖1：互不相溶的輕重兩相經(jīng)各自的進料口首先進入混合室，在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓帶動下，葉輪和底部渦輪盤相互作用產(chǎn)生強力的剪切力打碎混合，發(fā)生高效傳質(zhì)，完成萃取過程;然后混合兩相進入轉(zhuǎn)鼓，在離心力的作用下，依靠密度差而迅速分相，進入輕重兩相收集腔，再經(jīng)各自出口流出。

　　1.3 實驗過程

　　將萃取劑P507、仲辛醇和260號溶劑油按計量混合均勻配制成有機相，再與含釩浸出液一同進入離心萃取機相對應(yīng)的進料口，控制萃取離心機轉(zhuǎn)速、兩相流量和流比(O/A)。完成萃取和分相后，負載有機相和萃余液分別經(jīng)各自出口流入儲罐，待取樣分析。各水相中金屬離子濃度使用火焰原子吸收分光光度計(AAS)檢測，數(shù)據(jù)處理均以水相金屬離子濃度計。

　　1.4 實驗方法

　　1.4.1 流體力學(xué)性能

　　以含釩料液為重相，復(fù)配的有機相為輕相。首先控制兩相總流量為30L/h，分別改變離心萃取機的轉(zhuǎn)速和兩相進料流比，開機穩(wěn)定運行，系統(tǒng)平衡后在出料口取樣分析兩相夾帶量，以水相夾帶量計算為例：

　　使用250mL量筒取樣，采用自然重力沉降法測量。

　　1.4.2 萃取性能

　　以含釩料液為重相，復(fù)配的有機相為輕相。首先控制兩相總流量為30L/h，改變離心萃取機轉(zhuǎn)速和兩相進料流比，運行穩(wěn)定后，從輕重兩相出口取樣分析，計算萃取率;然后根據(jù)較佳的離心萃取機轉(zhuǎn)速和兩相進料流比，改變兩相總流量進行實驗，運行穩(wěn)定后從輕重兩相出口取樣分析，計算萃取率，確定最優(yōu)操作條件;最后串聯(lián)萃取離心機，在最優(yōu)進料總流量、離心萃取機轉(zhuǎn)速和兩相進料流比的條件下進行多級逆流萃取，并分別在每級出口設(shè)置取樣口，考查逆流萃取級數(shù)對萃取率的影響。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 離心萃取機的流體力學(xué)性能

　　以兩相進料總流量為30L/h，對單級CWL50-M型離心萃取機的流體力學(xué)性能進行實驗研究，采用單因素變量法，分別改變轉(zhuǎn)速和兩相進料流比，考查輕、重兩相的夾帶情況，實驗結(jié)果如表2、表3所示。在設(shè)定流比O/A=1∶2～2.5∶1，控制轉(zhuǎn)速為1600～2800r/min，隨著轉(zhuǎn)速提高，其分相情況逐漸正常，但當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到3200r/min時，兩相出口呈乳化狀態(tài)，導(dǎo)致取樣靜置后有不同程度夾帶，乳化不利于萃取，因此，對于P507萃取體系而言，離心萃取機工作轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在2800r/min。

表2轉(zhuǎn)速和進料流比對重相(水相)出口夾帶量的影響(%)

　　注“：—”表示未觀察到明顯夾帶

表3轉(zhuǎn)速和進料流比對輕相(有機相)出口夾帶量的影響(%)

　　注“：—”表示未觀察到明顯夾帶

　　2.2 轉(zhuǎn)速對釩萃取效率的影響

　　以兩相進料總流量為30L/h，采用單因素變量法，改變離心萃取機轉(zhuǎn)速及兩相進料流比，考查料液中釩的萃取效率，結(jié)果如圖2所示。隨著轉(zhuǎn)速的增加，釩萃取率增加較快，但當(dāng)兩相流比減小時，釩萃取率有明顯下降，流比O/A=2/1和O/A=3/1下釩萃取率隨轉(zhuǎn)速變化曲線較為接近，均明顯高于流比為O/A=1/1和O/A=1/2下的釩萃取率。分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速較小時，兩相液體受剪切力影響變成較大液珠相互接觸完成傳質(zhì)過程，此過程兩相接觸面積較小，而隨著轉(zhuǎn)速增加，兩相液體受到的剪切力變大，被打散成更小的液珠來相互接觸完成傳質(zhì)過程，此過程兩相接觸面積明顯增加，因此釩萃取率隨著轉(zhuǎn)速增大而明顯增加。流比的改變對釩萃取率的影響是由于當(dāng)流比較小時，有機相不足以完全萃取水相中的釩，而流比增加到O/A=2/1以上后，有機相處于足量甚至過量狀態(tài)，因此釩萃取率明顯高于流比較小時的釩萃取率，且繼續(xù)增大流比也無法明顯提高釩萃取率。

　　轉(zhuǎn)速提高，釩萃取率隨之提升。但在流比合適，轉(zhuǎn)速達到2800r/min時，釩萃取率已接近100%，繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速對萃取收率提升不明顯，且增加運行功耗，存在體系乳化的風(fēng)險。因此，轉(zhuǎn)速為2800r/min即可。

圖2轉(zhuǎn)速對釩萃取率的影響

　　2.3 流比對釩萃取效率的影響

　　以兩相進料總流量為30L/h，采用單因素變量法，改變轉(zhuǎn)速及流比對釩萃取效率的影響如圖3所示。單級萃取時，隨著兩相流比的增加，釩萃取率逐漸提升，當(dāng)兩相流比增加至O/A=2/1之后，釩萃取率提升幅度有所下降，且趨于穩(wěn)定，伴隨轉(zhuǎn)速的提升，此穩(wěn)定趨勢更為明顯。分析認為，在轉(zhuǎn)速較高時，兩相混合接觸較為充分。隨著流比越大，有機相可容納釩的量就越多，萃取率自然呈線性提升。但當(dāng)原料液中釩含量幾近萃取完全時，流比的增加就會導(dǎo)致有機相過剩，致使萃取率提升幅度降低;而在轉(zhuǎn)速較低時，兩相混合不夠充分，此時增大流比不但不能大幅提高萃取率，還會徒增有機相的損失。綜合考慮O/A=2/1是較為合適的流比。

圖3流比對釩萃取率的影響

　　2.4萃取級數(shù)對釩萃取效率的影響

　　實驗表明，單級設(shè)備釩萃取效率不能滿足工藝指標(biāo)，因此控制兩相流比O/A=2/1，考查多級逆流萃取時，萃取級數(shù)對釩萃取率的影響，實驗結(jié)果如圖4。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，隨著萃取級數(shù)的增加，釩萃取率先是穩(wěn)步提升后逐漸趨于穩(wěn)定，而在低轉(zhuǎn)速時，釩萃取率基本呈直線式上升。可能轉(zhuǎn)速較高時，萃取級數(shù)增加后，相應(yīng)地提高了兩相的混合接觸時間，逆流萃取的過程也進一步促進了兩相的充分混合，使得萃取率逐漸上升，但當(dāng)萃取級數(shù)增加到一定程度后，原料液中釩幾乎被完全萃取，此時萃取率接近100%，變化不再明顯;而在低轉(zhuǎn)速下，相同級數(shù)時，釩萃取率仍未趨于穩(wěn)定是由于轉(zhuǎn)速較低時兩相混合仍不及高轉(zhuǎn)速下充分，傳質(zhì)仍不夠徹底，需要更多萃取級數(shù)來彌補。因此，綜合考慮，高轉(zhuǎn)速下控制萃取級數(shù)為5級，萃取率即可高于99%。

圖4萃取級數(shù)對釩萃取率的影響

　　3 結(jié)論

　　選用CWL50-M實驗型離心萃取機提取含釩浸出液中的釩，分別從流體力學(xué)性能和轉(zhuǎn)速、流比、級數(shù)等條件對萃取率的影響進行了研究，得出初步結(jié)論：在流比O/A=1∶2~2.5∶1，離心萃取機轉(zhuǎn)速為2800r/min較為合適，此條件下，兩相出料無明顯夾帶。兩相流比O/A=2/1，離心機在轉(zhuǎn)速2800r/min，五級逆流萃取條件下，釩萃取率達到99.5%以上;比較傳統(tǒng)反應(yīng)釜和箱式萃取，離心萃取具有萃取率更高，可連續(xù)操作，存液量和有機相損失少等優(yōu)點。

　　參考文獻

　　[1] 齊小鳴.釩消費前景看好：國內(nèi)外釩的資源、生產(chǎn)和市場預(yù)測[J].世界有色金屬，2008(5):38-41.

　　[2] 楊紹利，馬蘭，劉金鳳，等.利用攀西釩資源研究開發(fā)釩功能材料展望[J].鋼鐵釩鈦，2016，37(2):84-91.

　　[3] 陶貴林，譙寧，張冬.試述攀西地區(qū)含釩廢渣生產(chǎn)五氧化二釩的工藝試驗及設(shè)計[J].科學(xué)與信息化，2018(29):136.

　　[4] 葉國華，童雄，路璐.含釩鋼渣資源特性及其提釩的研究進展

　　[J].稀有金屬，2010(5):769-775.

　　[5] 劉安華，李遼沙，余亮.含釩固廢提釩技術(shù)及展望[J].金屬礦山，2003(10):61-64.

　　[6] 宋宇，李婷，鄧燕，等.硫酸法鈦白濃廢酸的綜合治理[J].大眾科技，2011(9):100-102.

　　[7] 李亮.國內(nèi)外鈦白廢酸綜合治理及回收利用研究現(xiàn)狀[J].濕法冶金，2010，29(3):150-154.

　　[8] 李軍，吳恩輝，侯靜，等.利用新硫酸和鈦白廢酸直接酸浸含釩鋼渣試驗研究[J].鋼鐵釩鈦，2020(3):7.

　　[9] 段五華，周秀珠，周嘉貞.離心萃取器在有色冶金中的應(yīng)用[J].有色金屬工程，2006，58(3)：5.

　　[10] 崔國昌.國內(nèi)外離心萃取器發(fā)展概況[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，1981(3):4-30.