Переработка ванадийсодержащих отходов с использованием электрохимического метода

Александров Ю. Л., Сахненко Н. Д., Поспелов А. П., Ведь М. В., Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Харьков, Украина

Проблема утилизации токсичных ванадийсодержащих отходов актуальна не только с точки зрения защиты окружающей среды, но и ресурсосбережения, поскольку из них можно извлечь ценный компонент — ванадий.

Существующие способы переработки ванадийсодержащих шлаков и катализаторов требуют применения сложного оборудования, больших затрат химических реагентов, имеют высокую энергоемкость и экологически небезопасны.

Использование электрохимического метода позволит исключить некоторые стадии технологического процесса переработки ванадийсодержащих шлаков, обеспечить его высокую эффективность и экологическую безопасность при значительном снижении энерго- и материалоемкости.

Цель работы — установление условий наиболее полного перевода низковалентных соединений ванадия, образующихся при его извлечении из отходов, в 5-валентное состояние.

Для электрохимического окисления соединений ванадия использовали реактор, состоящий из полимерного корпуса, в который помещали стальной катод и свинцовый анод. Пористая керамическая мембрана разделяла реактор на анодное и катодное пространства. Постоянный ток задавали от стабилизированного источника питания Б5-46.

Методом поляризационных кривых исследовали кинетические параметры электродных про­цессов, протекающих в реакторе при получении соединений ванадия из ванадийсодержащих золы или катализаторов. Измерения проводили в стеклянной электрохимической ячейке ЯЭС-2 с помощью импульсного потенциостата ПИ-50-1 в комплекте с программатором ПР-8 и двухкоординатным самописцем ПДА-1. Потенциал электродов определяли относительно хлорид-серебряного электрода сравнения. Для поддержания температуры и перемешивания использовали термореле и магнитную мешалку ММ-5.

Установлено, что соединения 5-валентного ванадия на свинцовом электроде начинают фор­мироваться при потенциале более 1,2 В. Процесс можно вести без побочной реакции выделения кислорода вплоть до анодного потенциала 2,1 В.

Динамика изменения скорости образования соединений 5-валентного ванадия в исследуемых электролитах свидетельствует о диффузионных ограничениях при его окислении. При обработке золы 25%-м раствором едкого натра потенциал начала образования V⁵⁺ уменьшается на 0,2 В. Для повышения скорости окисления ванадия, а следовательно, производительности при переработке ванадийсодержащих отходов необходимо увеличивать концентрацию ионов ванадия в растворе и перемешивать его.

Проведено извлечение ванадия из золы ТЭЦ реагентным и электрохимическим методами.
Результаты анализа образцов исследованной золы представлены в табл. 1.

   Таблица 1

  Состав образцов ванадийсодержащей золы

                                                                                                                                                                                  

Cреднее содержание ванадия в золе в пересчете на V₂O₅ равно 26,5%.

Химическую обработку осуществляли следующим образом. Порошкообразную золу заливали 10%-й серной кислотой и в течение 2 ч нагревали на водяной бане при температуре 80 °С. Осадок отфильтровывали, а в растворе определяли концентрацию ионов ванадия разной валентности (способ 1).

Электрохимическая обработка предусматривала одновременное воздействие на обрабатываемую золу серной кислоты и электролиза. Смесь золы и 10%-го раствора серной кислоты в соотношениях 1 : 4 (способ 2) и 1 : 2,5 (способ 3) загружали в анодное пространство реактора. Анодная плотность тока составляла 1,0—2,0 A/дм². По окончании электрохимической обработки раствор из анодного пространства отфильтровывали и определяли содержание ионов ванадия разной степени окисления. Рассмотрена возможность щелочного извлечения ванадия из золы. Раствор выщелачивания — 25%-й едкий натр. Анод — никелевая фольга. Отношение твердой фазы к жидкой 1 : 7,5 (способ 4).

Результаты обработки золы различными способами приведены в табл. 2.

Таблица 2

Комплексная обработка ванадийсодержащей золы с использованием электрохимического воздействия обеспечивает наиболее полное извлечение ванадия. Наложение электрического поля в 1,5 раза увеличивает степень извлечения ванадия, при этом в пятиокись переходит более 97 % оксидов.