酸性提钒溶液中铝盐协同除磷的机制研究

Dephosphorization of acidic vanadium solution obtained from calcification-roasted processes is difficult to be operated with the presence of phosphorus heteropolyacid and isopolyacid. Based on this, innovative method is proposed in this study, where aluminium ion is adopted to dismantle phosphorus polyacid and cooperate with other precipitants to remove phosphorus sufficiently. The structure and thermodynamic data of phosphorus polyacid could be obtained by TG-DSC analysis and XRD test. The occurrence and structure transition of phosphorus polyacid under different conditions could be defined by thermodynamic equilibrium calculation with data obtained. The mechanism of decomposition of phosphorus polyacid by aluminium ion would be known and the decomposition pathway would be also revealed after the study on decomposition of phosphorus polyacid is lanched with quantum chemistry calculation. Then the theoretical basis of decomposition of phosphorus polyacid by aluminium ion coud be provided by above-mentioned studies. The effects of different conditions on dephosphorization, regulation mechanism of dephosphorization process, kinetic model will be studied systematacially, and the theoretical model of decomposition of phosphorus polyacid and synergistic dephosphorization of acidic vanadium solution by aluminium salt could be established finally, which could be used for reference in study on other polyacid-bearing solutions.

针对钙化焙烧工艺所得酸性提钒溶液除磷的难题，本课题利用铝离子对体系中磷多酸的分解作用，提出酸性提钒溶液协同除磷的新思路。通过对体系中磷多酸基础性质的研究，明确磷多酸的结构并完善其热力学数据，结合量子化学计算揭示不同条件下磷多酸的赋存形式与结构转变行为；对磷多酸分解反应进行研究，明确铝离子对磷多酸的作用机理，并揭示磷多酸分解反应途径，为铝盐协同作用深度除磷提供理论依据；考察不同条件下铝盐协同作用深度除磷效果，明确除磷反应过程调控机制，建立除磷反应动力学模型；最终形成系统的酸性提钒溶液中铝盐协同除磷的技术原型，为含磷多酸体系的深度除磷研究提供理论依据和借鉴。

钒是一种重要的金属元素，广泛应用于钢铁、化工、航天等产业，是发展现代工业不可或缺的原材料之一。在钒的提取冶金过程中，杂质元素磷既影响产物纯度，又会与钒形成磷钒杂多酸，降低沉钒率。因此，为了提高沉钒率同时得到高纯度沉钒产物，在沉钒之前需要进行深度除磷。本项目以“除磷保钒”为目的，以磷多酸作为切入点，采用量子化学计算、SEM、XRD、FTIR、NKR、drop量热法和PPMS等手段，对磷多酸热力学数据、磷多酸分子结构、体系内赋存形式、磷多酸结构转变规律、磷多酸分解反应机理、除磷过程反应调控等方面开展系统研究。利用gaussian软件构建并优化得到了磷多酸的结构特征，明确了结构中易发生水解反应的位点，结合分子的轨道能量得到了磷钒杂多酸的分解机理。成功的合成磷钒杂多酸并测得了它的热分解曲线，获得了磷钒杂多酸的热力学数据（热容、焓、吉布斯自由能），并利用所得结果明确了磷钒杂多酸的合成与分解反应的反应平衡吉布斯自由能变化规律。利用热力学计算构建并得到了体系内不同钒磷浓度和不同pH值条件下磷的赋存形式与转变规律。根据上述基础理论研究结果开展深度除磷实验研究，掌握不同条件对于除磷的影响规律，在优化实验条件下，磷含量可降低至9ppm；响应曲面法研究结果表明pH值和除磷剂的用量对于除磷具有较大影响。通过本项目的研究，得到了磷多酸的物化性质，实现了钒冶金过程中的深度除磷，为高纯钒化合物的生产提供理论依据，进而为钒化合物的高值化利用提供有力支撑。此外，多金属氧酸盐广泛应用于催化、储能、电化学等领域，本课题的研究结论可为相关多金属氧酸盐的物性研究提供参考和借鉴。