Гидрометаллургический способ предусматривает извлечение ванадия химическим выщелачиванием из обожженных титано-магнетитовых и ильменит-магнетитовых концентратов. Этот метод предъявляет жесткие требования к качеству перерабатываемых руд: высокое содержание ванадия в исходной руде и низкое -- примесей.
Гидрохимический способ -- это переработка вторичных материалов техногенного происхождения, таких, как отработанные ванадийсодержащие катализаторы, нефтяные остатки, нефтяной кокс, асфальтиты, зола от сжигания мазута, шлаки феррофосфорного производства, отходы переработки уран-ванадиевых руд и др.
Извлечение ванадия при этом осуществляется по различным гидрохимическим технологиям. Этот способ используют главным образом американские производители, а также в Великобритании и Японии. На его долю приходится около 10 % производимого ванадия. В настоящее время он является наиболее дорогостоящим.
Развитие технологий извлечения ванадия из вторичных материалов в США и Великобритании обусловлено в основном отсутствием в этих странах рудной базы ванадийсодержащего титаномагнетитового сырья. Кроме того, учитывается и наличие большого количества отходов других производств с высоким содержанием ванадия (до 50 %), а также жесткие экологические требования и высокие платежи за загрязнение окружающей среды.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ РЕСУРСОВ
Структура ресурсов ванадия в нашей стране определяется наличием больших запасов ванадийсодержащих титаномагнетитовых руд. В связи с высокой стоимостью переработки и сложностью технологической схемы передела этих руд в настоящее время стала актуальной задача разработки технологий и создания производств по выпуску ванадиевой продукции из техногенного ванадийсодержащего сырья.
К ванадиевым ресурсам техногенного происхождения относятся золы и шлаки тепловых электростанций, отработанные катализаторы сернокислотного производства, шламы титанового и глиноземного производств, попутные продукты и вторичные материалы ванадиевого и феррованадиевого производств.
Один из видов такого сырья -- материалы, образующиеся в котлоагрегатах ТЭС, сжигающих ванадийсодержащие мазуты и нефтеводяные эмульсии. В результате оксидные соединения ванадия концентрируются в зольных остатках, оседающих на поверхностях нагрева, или в шламах, образующихся в обмывочных растворах.
В некоторых странах ванадийсодержащие ЗШО ТЭС активно вовлекают в производственную сферу. В Канаде, США и Венесуэле ванадий, а также никель получают не только из нефти и битума, но и из ВЗШО, полученных в результате сжигания на ТЭС нефтепродуктов. Наиболее развито применение техногенного ванадийсодержащего сырья в Японии. Доля ванадийсодержащих нефтяных остатков, летучей золы, образующейся в топках, работающих на мазуте, и отработанных катализаторов в производстве феррованадия в Японии достигает 30 %.
В России переработка ВЗШО ТЭС в промышленных масштабах до сих пор не освоена. Если учесть все золоотходы, полученные при сжигании органического топлива за последние два-три десятилетия, то количество техногенного сырья окажется достаточным для производства около 100 тыс. тонн металлического ванадия. Количество этого сырья с каждым годом возрастает, несмотря на то, что практически все ТЭС в России не оборудованы системами пылеулавливания и до 90 % ванадия теряется в виде выбросов в атмосферу.
Таким образом, использование золошлаковых отходов продиктовано не только возможностью извлечения ванадия. Попутно может быть решена важнейшая экологическая задача утилизации отходов, занимающих значительные площади и представляющих опасность для окружающей среды, так как при взаимодействии с атмосферными осадками эти отходы выделяют в гидросферу токсичные органические вещества и тяжелые металлы.
Принимая во внимание истощение сырьевой базы и учитывая тот факт, что с каждым годом технологии переработки техногенного сырья совершенствуются, а затраты на производство V205 с использованием вторичного сырья постепенно приближаются к стоимости производства по традиционным технологиям, можно с уверенностью утверждать, что структура производства ванадия будет изменяться в сторону использования техногенных материалов.
ГЛАВА 3. МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПО ТЕМЕ "ВАНАДИЙ И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ"
Тема. Ванадий.
Цель: повторить и обобщить сведения о свойствах, способах получения и применении ванадия и его соединений.
Оборудование: Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева (приведена в электронном учебном пособии).
Содержание урока соответствует части IV.9 электронного учебного пособия.
Знакомство с химией ванадия и его соединений следует начать с исторической справки. Ванадий был открыт в 1830 г. шведским химиком и минералогом Н. Сефстремом в железной руде из Таберга (Швеция). В чистом виде выделен в 1869 г. английским химиком Г. Роско при взаимодействии водорода и хлористого ванадия.
Охарактеризовать положение ванадия в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Ванадий расположен в 5 группе Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Ванадий - d-элемент. Валентные электроны атома ванадия имеют электронную конфигурацию 3d34s2. В соединениях ванадий проявляет степени окисления +2, +3, +4, +5. Соединения ванадия (II) проявляют преимущественно основные свойства, ванадия (III) и (IV) - амфотерные, соединения ванадия (V) - кислотные.
Остановиться на распространенности ванадия в земной коре: ванадий - довольно распространенный элемент, но его минералы не встречаются в виде крупных месторождений, ванадий относится к рассеянным элементам. Ванадий встречается в нефти, битумах, углях, содержится в морской воде и осадочных породах.
При изучении физических свойств ванадия отметить, что ванадий - серебристо-белый металл, пластичен, при нагревании на воздухе выше 300 °С становится хрупким, примеси кислорода, водорода и азота резко снижают пластичность ванадия, придают ему твердость и хрупкость. На воздухе покрывается прочной оксидной пленкой.
При изучении химических свойств ванадия обратить внимание, что ванадий отличается высокой химической стойкостью, при нормальных условиях инертен. При нагревании взаимодействует со многими неметаллами: кислородом, азотом, галогенами, углеродом, бором, кремнием, серой и фосфором. Обратить внимание на образующиеся продукты и степень окисления ванадия в соединениях. Ванадий находится в ряду напряжений металлов до водорода, но, благодаря своей прочной защитной пленке, довольно инертен, не растворяется в воде и разбавленной соляной кислоте, на холоду не реагирует с разбавленной серной и азотной кислотой. Реагирует с плавиковой кислотой с образованием фторида ванадия, с концентрированной азотной кислотой с образованием соединения ванадия (V) - нитрата ванадина, с концентрированной серной кислотой с образованием соединения ванадия (IV) - сульфата ванадила, с царской водкой с образованием соединения ванадия (V) - хлорида ванадина, растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот с образованием гептафторованадата (V) водорода. Ванадий не взаимодействует с растворами щелочей, в расплавах в присутствии воздуха окисляется с образованием ванадатов. Необходимо обратить особое внимание на характер образующихся продуктов.
Рассмотреть способы получения ванадия методами металлотермии и электролизом расплава солей ванадия.
Познакомить учащихся с соединениями ванадия в различных степенях окисления. Из соединений ванадия (II) рассмотреть свойства оксида, гидроксида и солей ванадия (II). Обратить внимание, что они проявляет основные свойства, с водой и щелочами не взаимодействует, реагирует с кислотами. Соединения ванадия (II) - сильные восстановители, уже на воздухе растворы солей окисляются с образованием соединений ванадия (III).
Из соединений ванадия (III) рассмотреть свойства оксида, гидроксида и солей ванадия (III). Основными формами существования ванадия (III) являются V3+, VO+, VO33-, комплексные ионы, в которых ванадий имеет координационное число, равное 6. Соединения ванадия (III) проявляют амфотерные свойства с преобладанием основных, являются сильными восстановителями, в растворах окисляются кислородом воздуха до производных ванадия (IV).
Из соединений ванадия (IV) рассмотреть свойства оксида, гидроксида и солей ванадия (IV). При обычных условиях степень окисления +4 является для ванадия наиболее характерной. Ванадий (IV) существует в следующих формах: VO2+ (ванадин-ион), VO32-, V4O92- (ванадат (IV)-ионы). В комплексных ионах имеет координационное число, равное 6, а также 4 и 5. Соединения ванадия (IV) проявляют амфотерные свойства, с преобладанием кислотных, в зависимости от условий могут быть окислителями и восстановителями.
Из соединений ванадия (V) рассмотреть свойства оксида и солей ванадия (V) - изополиванадатов. Степень окисления +5 для ванадия реализуется в оксокатионах VO2+, VO3+ (ванадил-ионы) и оксоанионах VO43-, V2O74-, V3O93- и др. (ванадат (V)-ионы). Соединения ванадия (V) проявляют кислотные свойства. Обратить внимание на формы существования ванадат-ионов в растворе в зависимости от рН и концентрации раствора.
Сделать вывод об изменении кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств соединений ванадия в ряду V (II) - V (III) - V (IV) - V (V). В указанном ряду кислотно-основные свойства изменяются от основных (V (II)) через амфотерные (V (III) и V (IV)) до кислотных (V (V)), а окислительно-восстановительные - от восстановительных (V (II)) до окислительных (V (V)).
Рассмотреть основные области применения ванадия и его соединений.
ЛИТЕРАТУРА
Бобылев В., Бродов А., Фофанов А., Рабинович Е. Ванадий -- запасов хватит на века // Металлы Евразии.-- 2001. --№3.
Исидоров В. А. Экологическая химия: Учеб. пособ. для вузов. -- СПб.: Химиздат, 2001.
Использование ванадия в стали: Сб. тр. -- Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2002.
Сирина Т. П., Мизин В. Г., Рабинович Е. М. и др. Извлечение ванадия и никеля из отходов теплоэлектростанций. -- Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2001.
Смирнов Л. А., Дерябин Ю. А. и др. Конвертерный передел ванадиевого чугуну. -- Екатеринбург: Ср.-Урал. кн. изд-во, 2000
Страницы: 1, 2, 3
