新型離心萃取機(jī)在釩萃取中的應(yīng)用

　　新型離心萃取機(jī)在釩萃取中的應(yīng)用

　　師蘇城，高艷芳，李瑞琛，李國(guó)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(jī)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(diǎn)。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(jìn)行五級(jí)逆流萃取，控制離心萃取機(jī)轉(zhuǎn)速2800r/min，兩相流比O/A=2/1，釩萃取率可達(dá)99.5%以上。

　　關(guān)鍵詞：離心萃取機(jī);P507;溶劑萃取;釩

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

　　中圖分類號(hào)：TF351;X705??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B??文章編號(hào)：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(jī)械、造船、鐵路、航空、催化劑、釩電池等領(lǐng)域"，其中超過(guò)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(guó)作為鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，攀鋼、承德鋼鐵等鋼產(chǎn)量較大的企業(yè)每年都會(huì)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(guó)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(wú)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(jìn)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(jìn)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(lái)溶劑萃取法提釩的工藝研究取得顯著進(jìn)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(shì)，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(lái)完成，存在占地面積大、間歇操作、停留時(shí)間長(zhǎng)、分相困難等問(wèn)題，造成釩萃取率低，有機(jī)溶劑損失大，產(chǎn)能提升受限。離心萃取機(jī)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(shí)間短、平衡速度快、級(jí)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在液-液萃取過(guò)程中有著廣闊的應(yīng)用前景[9-10]。

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

　　1實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1 試劑與原料

　　萃取劑P507、仲辛醇、260號(hào)溶劑油，工業(yè)級(jí);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(jì)，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(jì)(AAS)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

圖1離心萃取機(jī)工作原理圖

　　CWL50-M實(shí)驗(yàn)型離心萃取機(jī)，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(jìn)料口首先進(jìn)入混合室，在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓帶動(dòng)下，葉輪和底部渦輪盤相互作用產(chǎn)生強(qiáng)力的剪切力打碎混合，發(fā)生高效傳質(zhì)，完成萃取過(guò)程;然后混合兩相進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓，在離心力的作用下，依靠密度差而迅速分相，進(jìn)入輕重兩相收集腔，再經(jīng)各自出口流出。

　　1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

　　將萃取劑P507、仲辛醇和260號(hào)溶劑油按計(jì)量混合均勻配制成有機(jī)相，再與含釩浸出液一同進(jìn)入離心萃取機(jī)相對(duì)應(yīng)的進(jìn)料口，控制萃取離心機(jī)轉(zhuǎn)速、兩相流量和流比(O/A)。完成萃取和分相后，負(fù)載有機(jī)相和萃余液分別經(jīng)各自出口流入儲(chǔ)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(jì)(AAS)檢測(cè)，數(shù)據(jù)處理均以水相金屬離子濃度計(jì)。

　　1.4 實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速和兩相進(jìn)料流比，開(kāi)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)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(jì)算為例：

　　使用250mL量筒取樣，采用自然重力沉降法測(cè)量。

　　1.4.2 萃取性能

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

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 離心萃取機(jī)的流體力學(xué)性能

　　以兩相進(jìn)料總流量為30L/h，對(duì)單級(jí)CWL50-M型離心萃取機(jī)的流體力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，采用單因素變量法，分別改變轉(zhuǎn)速和兩相進(jìn)料流比，考查輕、重兩相的夾帶情況，實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(duì)于P507萃取體系而言，離心萃取機(jī)工作轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在2800r/min。

表2轉(zhuǎn)速和進(jìn)料流比對(duì)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(jìn)料流比對(duì)輕相(有機(jī)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(duì)釩萃取效率的影響

　　以兩相進(jìn)料總流量為30L/h，采用單因素變量法，改變離心萃取機(jī)轉(zhuǎn)速及兩相進(jìn)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(shí)，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(shí)，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(guò)程，此過(guò)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(lái)相互接觸完成傳質(zhì)過(guò)程，此過(guò)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(duì)釩萃取率的影響是由于當(dāng)流比較小時(shí)，有機(jī)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(jī)相處于足量甚至過(guò)量狀態(tài)，因此釩萃取率明顯高于流比較小時(shí)的釩萃取率，且繼續(xù)增大流比也無(wú)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(dá)到2800r/min時(shí)，釩萃取率已接近100%，繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速對(duì)萃取收率提升不明顯，且增加運(yùn)行功耗，存在體系乳化的風(fēng)險(xiǎn)。因此，轉(zhuǎn)速為2800r/min即可。

圖2轉(zhuǎn)速對(duì)釩萃取率的影響

　　2.3 流比對(duì)釩萃取效率的影響

　　以兩相進(jìn)料總流量為30L/h，采用單因素變量法，改變轉(zhuǎn)速及流比對(duì)釩萃取效率的影響如圖3所示。單級(jí)萃取時(shí)，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(shì)更為明顯。分析認(rèn)為，在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，兩相混合接觸較為充分。隨著流比越大，有機(jī)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(shí)，流比的增加就會(huì)導(dǎo)致有機(jī)相過(guò)剩，致使萃取率提升幅度降低;而在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，兩相混合不夠充分，此時(shí)增大流比不但不能大幅提高萃取率，還會(huì)徒增有機(jī)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(duì)釩萃取率的影響

　　2.4萃取級(jí)數(shù)對(duì)釩萃取效率的影響

　　實(shí)驗(yàn)表明，單級(jí)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(jí)逆流萃取時(shí)，萃取級(jí)數(shù)對(duì)釩萃取率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，隨著萃取級(jí)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(shí)，釩萃取率基本呈直線式上升。可能轉(zhuǎn)速較高時(shí)，萃取級(jí)數(shù)增加后，相應(yīng)地提高了兩相的混合接觸時(shí)間，逆流萃取的過(guò)程也進(jìn)一步促進(jìn)了兩相的充分混合，使得萃取率逐漸上升，但當(dāng)萃取級(jí)數(shù)增加到一定程度后，原料液中釩幾乎被完全萃取，此時(shí)萃取率接近100%，變化不再明顯;而在低轉(zhuǎn)速下，相同級(jí)數(shù)時(shí)，釩萃取率仍未趨于穩(wěn)定是由于轉(zhuǎn)速較低時(shí)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(jí)數(shù)來(lái)彌補(bǔ)。因此，綜合考慮，高轉(zhuǎn)速下控制萃取級(jí)數(shù)為5級(jí)，萃取率即可高于99%。

圖4萃取級(jí)數(shù)對(duì)釩萃取率的影響

　　3 結(jié)論

　　選用CWL50-M實(shí)驗(yàn)型離心萃取機(jī)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(jí)數(shù)等條件對(duì)萃取率的影響進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速為2800r/min較為合適，此條件下，兩相出料無(wú)明顯夾帶。兩相流比O/A=2/1，離心機(jī)在轉(zhuǎn)速2800r/min，五級(jí)逆流萃取條件下，釩萃取率達(dá)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(jī)相損失少等優(yōu)點(diǎn)。

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