偏钒酸铵的制备及沉钒动力学

李意峰等：La2CuO4微晶的溶胶–凝胶法制备及合成活化能· 1423 ·第39卷第9期偏钒酸铵的制备及沉钒动力学高峰，颜文斌，李佑稷，石美莲，周再兴，黄丹丹(吉首大学化学化工学院，湖南吉首 416000)摘要：在氯化铵与偏钒酸钠溶液反应生成偏钒酸铵的沉淀过程中，探讨偏钒酸钠的初始浓度、加铵系数K、溶液pH值及温度等因素对沉钒率的影响及沉淀动力学。

通过X射线衍射和红外光谱对沉淀产物的微观结构进行表征。

结果表明：以30g/L V2O5溶液进行实验，当pH=8左右、以K=2加入氯化铵固体、温度为50℃时，沉钒率达到99%以上，动力学数据符合二级反应速率方程；产品与偏钒酸铵标准图谱一致；产品纯度(质量分数)为99.3%。

关键词：氯化铵；五氧化二钒；沉淀；表征；动力学中图分类号：X70311 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2011)09–1423–05网络出版时间：2011–08–29 14:36:00 DOI：CNKI:11-2310/TQ.20110829.1436.009网络出版地址：/kcms/detail/11.2310.TQ.20110829.1436.009.htmlPreparation of Ammonium Metavanadate and Kinetic Process of Vanadium PrecipitationGAO Feng，YAN Wenbin，LI Youji，SHI Meilian，ZHOU Zaixing，HUANG Dandan(College of Chemistry and Chemical Engineering, Jishou University, Jishou 416000, Hunan, China)Abstract: Process of ammonium metavanadate precipitation via sodium metavanadate and ammonium chloride in aqueous solution was studied. Influence of initial concentration, coefficient of ammonification, pH value, and temperature were investigated and the kinetic mechanism was explored. Precipitation product was characterized by X-ray diffraction and infrared. Results show that pre-cipitation rate is over 99%, under V2O5 of 30g/L, pH value of 8, coefficient of ammonification of 2, and temperature of 50. Kine℃tics data was found to follow second-reaction order. Spectrum of the product coincided with the standard spectrum. Purity (in mass) of ammonium metavanadate in products is over 99.3%.Key words: ammonium chloride; vanadium pentoxide; precipitation; characterization; kinetics钒在地壳中的丰度排在金属的第22位[1]173–174，约为0.02%～0.03%。

世界三大产钒国为南非、中国和俄罗斯，所产钒量占世界总产量份额分别为45.15%、29.15%和22.17%，其他国家的仅占2.13%。

在炼钢过程中，钒主要作为合金元素使钢的结晶组织细化，从而提高钢的强度、抗震性、韧性、可塑性及耐磨性[2–4]。

目前，世界上85%以上的钒被应用于钢铁工业，约7%被应用于其他合金生产，另有7%被应用于化工以及陶瓷工业，常作为生产催化剂的原料。

钒的应用领域还在不断被研究和拓展，较新的研究方向是航天工业、核工业和钒电池等领域。

钒可用于制造航空航天工业用的钛基合金。

钒合金也可应用于核聚变反应堆，在700℃以上的高温具有良好的机械强度、疲劳性能以及耐液态锂的腐蚀性。

有关研究结果[4]表明钒合金具有良好的抗辐射性能；与铁基合金相比，钒合金的活性小。

V2O5的半导体性质的发现以及在光学工业中作为抗静电涂层的应用为它的研究开辟了新纪元。

近年来，对作为功能材料的V2O5的研究已经受到广泛重视，它的溶胶–凝胶制备技术也取得了研究进展。

具有层状结构的V2O5凝胶膜显示出特有的电化学性质，V2O5还具有光电导性质。

根据这些性质开展的应用研究也取得了长足进展，如V2O5可作普通离子吸收基质材料、湿敏传感器、微电池、电致变收稿日期：2010–09–25。

修改稿收到日期：2011–06–16。

基金项目：湖南省教育厅(09C824)及湖南省科技计划(2009GK4010)资助项目。

第一作者：高峰(1966—)，男，硕士，高级工程师。

通信作者：颜文斌(1965—)，男，教授，硕士研究生导师。

Received date:2010–09–25. Approved date: 2011–06–16. First author: GAO Feng (1966–), male, master, senior engineer. E-mail: **************Correspondent author: Y AN Wenbin (1965–), male, professor. E-mail: ***********************第39卷第9期2011年9月硅酸盐学报JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYVol. 39，No. 9September，2011硅酸盐学报· 1424 ·2011年色显示材料、智能窗、滤色片及热辐射检测材料或光学记忆材料等。

可以预见，随着现代高科技的发展，V2O5的应用范围将会逐步扩大，需求量也会逐步增加，因此开展偏钒酸铵提取与制备研究有重要意义。

生产V2O5的原料主要有含钒钛磁铁矿、钒渣、含钒黏土矿及石煤等[5]。

国内外对石煤提钒的报道很多，归纳起来可分为火法和湿法两大类[6–7]。

火法的工艺流程是破碎(粉碎)→制球→焙烧→浸出→分离富集→沉钒→V2O5；湿法的工艺流程是破碎(粉碎)→浸出→转化富集→沉钒→V2O5。

无论火法或是湿法，工艺流程都包括沉钒过程，其中铵盐沉钒是国内外生产高品位V2O5所采用的传统工艺流程[8]。

一般情况下，pH=2.0～4.0时，V2O5是以多聚钒酸铵的形式沉淀，沉淀为砖红色粉末；在pH=8.0左右，V2O5是以偏钒酸铵的形式沉淀，沉淀为白色，精制阶段常用这种形式沉钒；pH=4.0～8.0，则以其他多钒酸形式沉钒，沉淀为金黄色 [9–10]。

有关铵盐沉钒工艺参数研究的文献较多，但关于铵盐沉钒反应的动力学机理的研究未见报道。

实验拟从动力学的角度研究铵盐沉钒过程动力学参数[11]，在弱碱性条件下，向偏钒酸钠溶液中加入氯化铵生成偏钒酸铵沉淀，探讨偏钒酸钠的初始浓度、加铵系数K、pH值及温度等因素对沉钒率的影响；在适合组合条件下进行沉淀析出的动力学研究，用积分法建立数学模型[12–13]以确定沉钒过程动力学的相关参数；通过X射线衍射和红外光谱分析表征沉淀产物的微观结构；按照HG/T 3445—2003《化学试剂偏钒酸铵》分析偏钒酸铵的纯度。

1 实验1.1 制备1.1.1 偏钒酸铵准确称取30g V2O5固体，缓慢滴加NaOH溶液，边加热边搅拌至V2O5固体完全溶解。

冷却后，用500mL容量瓶定容，配制成偏钒酸钠溶液V2O5+NaOH→NaVO3+H2O。

在钒溶液为30g/L、pH=8.0、K=2、温度为50℃进行沉钒，过滤得到偏钒酸铵。

1.1.2 铵盐沉钒取500mL钒溶液，调节溶液pH值，然后加入适量铵盐，在水浴锅中恒温加热、搅拌，沉降冷却后，取上层清液测定溶液含钒量，计算沉钒率NaVO3+NH4Cl→NH4VO3+NaCl。

1.2表征用Y-2000型X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)仪表征产品的物相和结构。

用Fourier红外光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)分析样品的微观结构。

按照HG/T 3445—2003《化学试剂偏钒酸铵》分析偏钒酸铵的纯度。

2 结果与讨论2.1偏钒酸铵分析2.1.1 溶液 pH值对沉钒率的影响溶液pH值对沉钒率的影响如图1所示，可以看出：pH=7.5～8.5，沉钒率达到最高，随后沉钒率降低，这是因为偏钒酸铵沉淀随pH值的增大又溶入溶液中。

结果表明：pH=8.0左右时，沉钒率最高。

图1 pH值对沉钒率的影响Fig.1 Effect of pH value on precipitation rate2.1.2 K对沉钒率的影响K对沉钒率的影响如图2所示，可以看出：NH4Cl作为反应物参与沉钒反应，K=1.0～2.0，K增大，即NH4Cl的加入量增多，沉钒率随之增大；K>2.0，沉钒率增加的幅度减慢，沉钒率趋向平稳。

因为氯化铵沉钒反应是可逆反应，当反应达到平衡状态后，继续增加反应物的图2 加铵系数K对沉钒率的影响Fig.2 Effect of coefficient of ammonification K on precipitation rate高峰 等：偏钒酸铵的制备及沉钒动力学· 1425 ·第39卷第9期量，对反应结果影响不大，因此选取K = 2.0进行以下实验。

2.1.3 钒溶液的浓度对沉钒率的影响 钒溶液的浓度对沉钒率的影响如图3所示，可以看出：偏钒酸钠作为反应物参与沉钒反应，以溶液中V 2O 5含量标记偏钒酸钠溶液的含钒量，溶液中V 2O 5含量为15～30 g/L ，随着溶液中V 2O 5含量增加，沉钒率增高；当溶液中V 2O 5含量增至30 g/L 之后，沉钒率趋向平稳。

图3 钒溶液含量对沉钒率的影响Fig.3 Effect of vanadium solution content on precipitationrate2.1.4 温度对沉钒率的影响 温度对沉钒率的影响如图4所示，可以看出：随着温度的升高，沉钒率升高，因为温度的升高有利于反应的进行；但当温度升至某一程度后，沉钒率趋向平稳。