新型離心萃取機在釩萃取中的應用

　　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備，具有處理效率高，存液量小，占地面積小，易連續操作等優點。研究其用于釩萃取，結果表明：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，控制離心萃取機轉速2800r/min，兩相流比O/A=2/1，釩萃取率可達99.5%以上。

　　關鍵詞：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??文獻標識碼：B??文章編號：1008-553X(2022)04-0076-04

　　釩作為一種重要的戰略金屬，素有“工業味精”之稱，廣泛應用于機械、造船、鐵路、航空、催化劑、釩電池等領域"，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中。我國作為鋼鐵生產大國，攀鋼、承德鋼鐵等鋼產量較大的企業每年都會產出大量含釩鋼渣，如何低成本綠色高效回收釩渣中的釩資源，是保證我國釩工業可持續發展的重要舉措。

　　相較于傳統的鈉化焙燒、鈣化焙燒、無鹽焙燒、復合鹽焙燒等各種“焙燒-浸出-沉釩”工藝，隨著濕法冶金技術的提高，直接浸出提釩工藝逐漸應用于釩渣提釩[3-5]。為進一步降低生產成本，綠色高效回收釩渣中的釩資源，選用工業中生產鈦白粉后產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，生產出純度較高的五氧化二釩產品[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勢，在釩萃取工業中廣泛應用。

　　釩萃取常依靠反應釜、萃取槽等設備來完成，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，產能提升受限。離心萃取機作為一種新型的高效液-液萃取設備，具備易連續操作、存液量小、占地面積小、停留時間短、平衡速度快、級效率高等優點，在液-液萃取過程中有著廣闊的應用前景[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域大規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成分(單位：g·L-1)

　　1.2 儀器與設備

　　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各自的進料口首先進入混合室，在高速旋轉的轉鼓帶動下，葉輪和底部渦輪盤相互作用產生強力的剪切力打碎混合，發生高效傳質，完成萃取過程;然后混合兩相進入轉鼓，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的進料口，控制萃取離心機轉速、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，數據處理均以水相金屬離子濃度計。

　　1.4 實驗方法

　　1.4.1 流體力學性能

　　以含釩料液為重相，復配的有機相為輕相。首先控制兩相總流量為30L/h，分別改變離心萃取機的轉速和兩相進料流比，開機穩定運行，系統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，改變離心萃取機轉速和兩相進料流比，運行穩定后，從輕重兩相出口取樣分析，計算萃取率;然后根據較佳的離心萃取機轉速和兩相進料流比，改變兩相總流量進行實驗，運行穩定后從輕重兩相出口取樣分析，計算萃取率，確定最優操作條件;最后串聯萃取離心機，在最優進料總流量、離心萃取機轉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置取樣口，考查逆流萃取級數對萃取率的影響。

　　2 結果與討論

　　2.1 離心萃取機的流體力學性能

　　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性能進行實驗研究，采用單因素變量法，分別改變轉速和兩相進料流比，考查輕、重兩相的夾帶情況，實驗結果如表2、表3所示。在設定流比O/A=1∶2～2.5∶1，控制轉速為1600～2800r/min，隨著轉速提高，其分相情況逐漸正常，但當轉速提高到3200r/min時，兩相出口呈乳化狀態，導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，離心萃取機工作轉速應控制在2800r/min。

表2轉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，改變離心萃取機轉速及兩相進料流比，考查料液中釩的萃取效率，結果如圖2所示。隨著轉速的增加，釩萃取率增加較快，但當兩相流比減小時，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。分析結果表明，轉速較小時，兩相液體受剪切力影響變成較大液珠相互接觸完成傳質過程，此過程兩相接觸面積較小，而隨著轉速增加，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過程，此過程兩相接觸面積明顯增加，因此釩萃取率隨著轉速增大而明顯增加。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，因此釩萃取率明顯高于流比較小時的釩萃取率，且繼續增大流比也無法明顯提高釩萃取率。

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

圖2轉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，且趨于穩定，伴隨轉速的提升，此穩定趨勢更為明顯。分析認為，在轉速較高時，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。但當原料液中釩含量幾近萃取完全時，流比的增加就會導致有機相過剩，致使萃取率提升幅度降低;而在轉速較低時，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萃取級數對釩萃取效率的影響

　　實驗表明，單級設備釩萃取效率不能滿足工藝指標，因此控制兩相流比O/A=2/1，考查多級逆流萃取時，萃取級數對釩萃取率的影響，實驗結果如圖4。當轉速較高時，隨著萃取級數的增加，釩萃取率先是穩步提升后逐漸趨于穩定，而在低轉速時，釩萃取率基本呈直線式上升。可能轉速較高時，萃取級數增加后，相應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，但當萃取級數增加到一定程度后，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;而在低轉速下，相同級數時，釩萃取率仍未趨于穩定是由于轉速較低時兩相混合仍不及高轉速下充分，傳質仍不夠徹底，需要更多萃取級數來彌補。因此，綜合考慮，高轉速下控制萃取級數為5級，萃取率即可高于99%。

圖4萃取級數對釩萃取率的影響

　　3 結論

　　選用CWL50-M實驗型離心萃取機提取含釩浸出液中的釩，分別從流體力學性能和轉速、流比、級數等條件對萃取率的影響進行了研究，得出初步結論：在流比O/A=1∶2~2.5∶1，離心萃取機轉速為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;比較傳統反應釜和箱式萃取，離心萃取具有萃取率更高，可連續操作，存液量和有機相損失少等優點。

　　參考文獻

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