專利名稱：釩鈉分離裝置和方法
技術領域：
本發明涉及釩鈉溶液中的釩鈉分離技術，例如濕法提釩工藝中的釩與鈉分離、 水處理工藝中的釩鈉分離等等，特別是一種釩鈉分離裝置和方法。
背景技術：
釩是一種重要的戰略資源，廣泛應用于鋼鐵、合金、化工、釩電池等行業中。 釩在自然界分布很廣，約占地殼質量0.02%，但其分布卻十分分散，主要是和金屬礦如 鐵、鈦、鈾、鉬、銅、鉛、鋅、鋁等礦共生，或與碳質礦、磷礦共生。因此如何實現釩 與其他元素的分離，是實現釩的應用價值的關鍵所在。由于各種礦物的組成和結構不同，因此從不同礦物中提取釩的方法各異。釩渣 浸出提釩是一種重要且廣泛采用的提釩工藝，即從釩鈦磁鐵礦(或含礬磁鐵礦)提釩，通 常采用礦石煉鐵——含釩鐵水吹煉礬漁——銀渣氧化鈉化焙燒水浸提釩的方法。該方法 中，不可避免的混入了鈉鹽，如何實現浸出液中釩鈉的分離是提釩工藝的關鍵所在。傳統的釩鈉分離工藝過程如下浸出液_凈化液_ (加(NH4) 2S04)沉釩_ (攪拌加熱)過濾洗滌_接第1路和第2路。第1路-多釩酸銨_高溫熱解_片狀V205。第2路-沉釩母液_(加FeSO4)沉淀，得到釩酸鐵返回焙燒工序，另外得到濾液 進入下一步_ (加Na2SO4)沉淀-濾液-蒸發濃縮-Na2S04、(NH4) 2S04。從上述工藝過程中看出，傳統釩鈉分離工藝流程長，產品質量不穩定、能耗 高、污水排放量大，且不易治理。其采用的蒸發濃縮工藝是萬不得已的措施。因沉釩母 液中含有Na2S04、(NH4)2SO4,既無法返回工藝使用，又難以治理。蒸發濃縮工藝能耗 高，每生產1噸V2O5需處理廢水40m3左右。
發明內容
本發明針對現有技術中存在的缺陷或不足，提出一種釩鈉分離裝置和方法。采 用所述裝置或方法，有利于解決目前在釩鈉分離工藝中，工藝流程長，能耗高，釩回收 率低等問題，有利于獲得最佳的釩鈉分離效果，提高釩的回收率，且工藝簡單，能耗 低，符合國家節能減排的政策。本發明的技術構思是，采用納濾膜的膜分離原理和納濾膜荷電基團的道南 (Donnan)效應，在較低操作壓力下實現釩鈉溶液中不同價態離子釩與鈉的分離，從而提 高釩的回收率，本發明的技術方案如下釩鈉分離裝置，其特征在于，包括納濾膜分離系統，所述納濾膜分離系統的原 液進口通過壓力泵連接原液管路，所述納濾膜分離系統的鈉透過液出口連接鈉透過液管 路，所述納濾膜分離系統的釩濃液回收口連接釩濃液回收管路。
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所述納濾膜分離系統采用兩個或兩個以上納濾膜元件串聯而成的膜組件。所述納濾膜分離系統采用4個納濾膜元件串聯而成的膜組件。所述壓力泵采用高壓泵，所述高壓泵的原液進口端連接前置過濾裝置，所述前 置過濾裝置通過增壓泵連接原液箱。所述前置過濾裝置采用微濾器，所述增壓泵與原液箱之間設置有原液調節閥。所述釩濃液回收管路連接循環脫鈉溶液箱，所述循環脫鈉溶液箱與納濾膜分離 系統的釩濃液回收口之間設置有濃液調節閥，所述循環脫鈉溶液箱通過脫鈉溶液補水循 環處理管路連接原液箱。釩鈉分離方法，其特征在于，包括以下步驟將包含釩鈉的原液加壓輸入納濾 膜分離系統中，通過納濾膜元件串聯而成的膜組件形成原液的反滲透過程和道南效應， 使得原液中的鈉離子透過膜組件形成鈉透過液并進入鈉透過液管路，而原液中的釩離子 被膜組件截留形成釩濃液并進入釩濃液回收管路。所述釩濃液通過補加去離子水后進入原液，循環進行納濾膜分離處理，實現進
一步脫鈉。采用納濾膜處理釩鈉混合溶液時，通過調節膜進出壓力、PH值及溫度，釩離子 的單次截留率高達99.5 100%，鈉離子的單次截留率《8% ；釩離子的循環截留率高達 99.5 100%，鈉離子的循環截留率低至0.49%，從而實現釩鈉的分離。所述包含釩鈉的原液通過增壓泵輸入微濾器進行前置過濾，以去除對膜組件有 損害的物質后，再由高壓泵泵入納濾膜分離系統中；所述膜組件中反滲透濃溶液側的壓 力范圍為1.99 1.49MPa，跨膜壓差為0.05 0.21MPa ；所述微濾器的孔徑規格為4 6 μ m ；所述原液pH值調整為8.3 8.8。本發明的技術效果如下納濾膜對釩的截留效果很好，基本上可以達到100%，鈉的截留率很低，經過八 次循環后只有0.49%。基本上單次循環的截留率都在8%以下，經過了八次循環之后，鈉 的總截留率降至0.49%，有高達99.51%的鈉離子順利的透過納濾膜，和釩分離開，基本 上實現了釩鈉完全分離。本發明的釩鈉分離裝置和方法具有以下特點(1)納米級孔徑；(2)操作壓力低；(3)具有離子選擇性；(4)較好的耐壓密性和較強的抗污染能力；(5)可取代傳統處理過程中的多個步驟，因而比較經濟。
圖1是實施本發明的釩鈉分離裝置結構示意圖。圖2是納濾膜的滲透模式和反滲透模式工作原理示意圖。圖中標記列示如下1-原液箱，2-原液調節閥，3-增壓泵，4-微濾器，5-高壓泵，6_納濾膜分離 系統，7-透過液箱，8-濃液調節閥，9-循環脫鈉溶液箱，10-脫鈉溶液補水循環處理管
4路。11-滲透方向，12-反滲透方向，13-滲透濃溶液側，14-滲透納濾膜，15-滲透 稀溶液側，16-加壓裝置，17-反滲透納濾膜，18-反滲透稀溶液側，19-反滲透濃溶液 側。
具體實施例方式下面結合附圖(圖1-圖2)對本發明進行說明。本發明提出一種新型的釩鈉分離裝置和方法，可以解決目前在釩鈉分離工藝 中，工藝流程長，能耗高，釩回收率低等問題，能夠獲得最佳的釩鈉分離效果，提高釩 的回收率，且工藝簡單，能耗低，符合國家節能減排的政策。如圖1所示，釩鈉分離裝置，包括納濾膜分離系統6，所述納濾膜分離系統6的 原液進口通過壓力泵連接原液管路，所述納濾膜分離系統6的鈉透過液出口連接鈉透過 液管路，所述納濾膜分離系統6的釩濃液回收口連接釩濃液回收管路。所述納濾膜分離 系統6采用兩個或兩個以上納濾膜元件串聯而成的膜組件。所述納濾膜分離系統6采用4個納濾膜元件串聯而成的膜組件。所述壓力泵采 用高壓泵5，所述高壓泵5的原液進口端連接前置過濾裝置，所述前置過濾裝置通過增壓 泵3連接原液箱1。所述前置過濾裝置采用微濾器4，所述增壓泵3與原液箱1之間設置 有原液調節閥2。所述釩濃液回收管路連接循環脫鈉溶液箱9，所述循環脫鈉溶液箱9與 納濾膜分離系統6的釩濃液回收口之間設置有濃液調節閥8，所述循環脫鈉溶液箱9通過 脫鈉溶液補水循環處理管路10連接原液箱1。圖1中通過連接線箭頭示意表示了釩鈉分離方法的工藝流程。釩鈉分離方法， 包括以下步驟將包含釩鈉的原液加壓輸入納濾膜分離系統中，通過納濾膜元件串聯而 成的膜組件形成原液的反滲透過程和道南效應，使得原液中的鈉離子透過膜組件形成鈉 透過液并進入鈉透過液管路，而原液中的釩離子被膜組件截留形成釩濃液并進入釩濃液 回收管路。所述釩濃液通過補加去離子水后進入原液，循環進行納濾膜分離處理，實現 進一步脫鈉。圖2是納濾膜的滲透模式和反滲透模式工作原理示意圖。如圖2所示，圖2中 的左邊部分是納濾膜的滲透模式，其滲透方向11是從滲透稀溶液側15指向滲透濃溶液側 13，并且穿過滲透納濾膜14。圖2中的右邊部分是納濾膜的反滲透模式，其反滲透方向 12是從滲透濃溶液側19指向滲透稀溶液側18，并且穿過反滲透納濾膜17，在滲透濃溶液 側19具有標記為16的加壓工序或設置。膜分離法是利用特殊的薄膜對液體中的某些成分進行選擇性透過的一種方法， 具有節能、高效等特點，是解決當代人類能源危機及環境污染等重大問題的高新技術。 納濾膜工作原理是在進水(濃溶液)側施加操作壓力以克服自然滲透壓，當高于自然滲透 壓的操作壓力施加于濃溶液側時，水分子自然滲透的流動方向就會逆轉，進水(濃溶液) 中的水分子部分通過膜成為稀溶液側的凈化產水。見圖2。采用納濾膜原理來分離釩鈉的研究在國內外尚未見文獻報道。納濾膜的一個特點是具有離子選擇性一價離子可以大量的滲過膜(但并非無 阻擋)而多價離子(例如硫酸鹽和碳酸鹽)的去除率則高得多。因此鹽的滲透性主要由離子的價態決定。對于陰離子，去除率按以下順序上升N03_ < Cl < OH < SO42 < CO:。對于陽離子，去除率按以下順序上升H+ < Na+ < K+ < Ca2+ < Mg2+。納濾過程之所以具有離子選擇性，是由于在膜上或者膜中有帶電基團，它們通 過靜電相互作用阻礙多價離子的滲透。荷電性的不同(如正電或負電)及荷電密度的不 同等，都會對膜性能產生明顯的影響。納濾膜的傳質機理可用溶解-擴散模型來解釋，大部分納濾膜為荷電型，其 對無機鹽的分離行為不僅受化學勢控制，同時也受到電勢梯度的影響，具體可用道南 (Dolman)平衡來解釋。所謂Dotman平衡，是指在透過膜體系中，在膜兩側溶液處于平衡 時，不只化學位相等，而且必須是電中性的。水中正電荷離子可以在濃度差作用下透過 膜，但負電荷離子卻受到帶負電的膜的阻滯，無法(或很少)透過膜達到淡水側，由于電 中性原理，又限制了正電荷離子向淡水側擴散，這就達到了脫鹽的目的。與一價離子相 比，二價離子由于電荷多，電中性原理造成濃差擴散的阻力更大，也更不容易透過膜， 所以納濾膜對二價離子的脫除率要大于對一價離子的脫除率。由于無機鹽能透過納濾膜，使其滲透壓遠比反滲透膜低，因此在通量一定時， 納濾膜過程所需的外加壓力比反滲透低得多；而在同等壓力下，納濾的通量比R反滲透 大得多。此外，納濾能使濃縮與脫鹽同步進行。所以用納濾代替反滲透時，濃縮過程可 有效、快速地進行，并達到較大的濃縮倍數。本發明的技術效果如下采用納濾膜處理釩鈉混合溶液時，通過調節膜進出壓力、PH值及溫度，釩的單 次截留率基本上達到100%，鈉的單次截留率釩的循環截留率達到100%，鈉的循 環截留率可達0.49%，基本上實現了釩鈉的有效分離。本實驗改變壓力、流量等條件，考察納濾處理過程中鈉離子濃度及釩濃度的變 化規律，計算出該納濾膜的脫鈉效果及釩損失情況。實驗流程如圖1所示，原水料液經原水調節閥，由增壓泵泵入預處理系統。預 處理系統為一個孔徑為5μιη的微濾器，原水經過微濾器，去除對膜組件有損害的物質 后，再由高壓泵泵入膜組件。膜組件由4個納濾膜元件串聯而成。原水由納濾膜元件的進水端進入，經過串 聯的納濾膜元件的滲透產生滲透液。由于膜的截留性能，水及分子量很小的鈉離子等物 質透過膜形成透過液，被移送或排放。其他相對大分子的釩酸根則被截留，形成脫釩溶 液，經過濃水調節閥，回收到脫鈉溶液的水箱。若此時的脫鈉溶液中仍含有鈉，脫鈉不 完全，需補加和滲透液等量去離子水，再次進行納濾膜分離處理，循環直至達到釩鈉分 離的要求。實驗步驟如下(1)在原水箱中加料液110L，開增壓泵。(2)開高壓泵，模擬四只納濾膜元件串聯的壓力、流量條件。(3)測量原水的溫度、ρΗ，濃縮液流量、滲透液流量。(4)在原水處理完畢之后，測量滲透液的體積。(5)放出滲透液，在脫鈉溶液中補加和滲透液等體積的去離子水，測量此時脫鈉
6溶液中的釩濃度和鈉濃度。(6)重復(1) (5)實驗過程，做循環實驗，直到達到實驗結果的要求為止。本發明的優點 (1)納米級孔徑納濾膜是介于反滲透膜與超濾膜之間的一種膜，其表面孔徑處于納米級范圍 (10-9m)，截留相對分子質量(MWCO)在200 1000之間，適宜于分離相對分子質量在 200以上，分子粒徑大小約為Inm的溶解組分。RO脫除所有的鹽和有機物，UF對鹽 和低分子有機物沒有截留效果，而納濾膜能截留低分子有機物和多價鹽。UF-超濾膜。 RO-反滲透膜。NF-納濾膜。(2)操作壓力低反滲透(RO)過程所需操作壓力很高，一般在幾個甚至幾十兆帕之間。NF比 RO所要求的操作壓力要低，通常NF分離需要的跨膜壓差可以為0.01 2.0MPa，比 用RO達到同樣的滲透通量所必需施加的壓差低0.5-3.0MPa，因而也被稱為“低壓反滲 透”(Lowpress RO)。操作壓力降低則意味著對系統動力設備要求的降低，這對于降低整 個分離系統的設備投資費用是有利的。(3)具有離子選擇性由于在膜上或膜中常帶有荷電基團，通過靜電相互作用，產生Doraian效應，對 含有不同價態離子的多元體系溶液，可實現不同價態離子的分離，故有時也稱“選擇性 反滲透”(Selective RO)。一般來說，納濾膜對單價鹽的截留率僅為10% 80%，具有 相當大的滲透性，而二價及多價鹽的截留率均在90%以上。(4)較好的耐壓密性和較強的抗污染能力由于納濾膜多為復合膜及荷電膜，因而其耐壓密性和抗污染能力強，此外，荷 電納濾膜能根據離子的大小及電價的高低對低價離子和高價離子進行分離。(5)可取代傳統處理過程中的多個步驟，因而比較經濟例如，為了對水進行軟化和凈化，常采用石灰-蘇打法或離子交換法去除Ca2+、 Mg2+等二價離子，用活性炭吸附法除去有機物。這種水處理過程工藝繁瑣，效率低，費 用高。而采用納濾技術就可以一次性將上述物質同時除去。案例實驗用水采用釩化工廠的釩鈉溶液，其相關水質指標見表1。表1實驗水質
權利要求
1.釩鈉分離裝置，其特征在于，包括納濾膜分離系統，所述納濾膜分離系統的原 液進口通過壓力泵連接原液管路，所述納濾膜分離系統的鈉透過液出口連接鈉透過液管 路，所述納濾膜分離系統的釩濃液回收口連接釩濃液回收管路。
2.根據權利要求1所述的釩鈉分離裝置，其特征在于，所述納濾膜分離系統采用兩個 或兩個以上納濾膜元件串聯而成的膜組件。
3.根據權利要求1所述的釩鈉分離裝置，其特征在于，所述納濾膜分離系統采用4個 納濾膜元件串聯而成的膜組件。
4.根據權利要求1所述的釩鈉分離裝置，其特征在于，所述壓力泵采用高壓泵，所述 高壓泵的原液進口端連接前置過濾裝置，所述前置過濾裝置通過增壓泵連接原液箱。
5.根據權利要求4所述的釩鈉分離裝置，其特征在于，所述前置過濾裝置采用微濾 器，所述增壓泵與原液箱之間設置有原液調節閥。
6.根據權利要求1所述的釩鈉分離裝置，其特征在于，所述釩濃液回收管路連接循環 脫鈉溶液箱，所述循環脫鈉溶液箱與納濾膜分離系統的釩濃液回收口之間設置有濃液調 節閥，所述循環脫鈉溶液箱通過脫鈉溶液補水循環處理管路連接原液箱。
7.釩鈉分離方法，其特征在于，包括以下步驟將包含釩鈉的原液加壓輸入納濾膜 分離系統中，通過納濾膜元件串聯而成的膜組件形成原液的反滲透過程和道南效應，使 得原液中的鈉離子透過膜組件形成鈉透過液并進入鈉透過液管路，而原液中的釩離子被 膜組件截留形成釩濃液并進入釩濃液回收管路。
8.根據權利要求7所述的釩鈉分離方法，其特征在于，所述釩濃液通過補加去離子水 后進入原液，循環進行納濾膜分離處理，實現進一步脫鈉。
9.根據權利要求8所述的釩鈉分離方法，其特征在于，采用納濾膜處理釩鈉混合溶液 時，通過調節膜進出壓力、PH值及溫度，釩離子的單次截留率高達99.5 100%，鈉離 子的單次截留率《8%;釩離子的循環截留率高達99.5 100%，鈉離子的循環截留率低 至0.49%，從而實現釩鈉的分離。
10.根據權利要求7所述的釩鈉分離方法，其特征在于，所述包含釩鈉的原液通過增 壓泵輸入微濾器進行前置過濾，以去除對膜組件有損害的物質后，再由高壓泵泵入納濾 膜分離系統中；所述膜組件中反滲透濃溶液側的壓力范圍為1.99 1.49MPa，跨膜壓差 為0.05 0.21MPa ；所述微濾器的孔徑規格為4 6 μ m ；所述原液pH值調整為8.3 8.8 。
全文摘要
釩鈉分離裝置和方法，有利于解決目前在釩鈉分離工藝中，工藝流程長，能耗高，釩回收率低等問題，有利于獲得最佳的釩鈉分離效果，提高釩的回收率，且工藝簡單，能耗低，符合國家節能減排的政策，其特征在于，包括納濾膜分離系統，所述納濾膜分離系統的原液進口通過壓力泵連接原液管路，所述納濾膜分離系統的鈉透過液出口連接鈉透過液管路，所述納濾膜分離系統的釩濃液回收口連接釩濃液回收管路。
文檔編號C22B34/22GK102008896SQ20101050484
公開日2011年4月13日 申請日期2010年10月8日 優先權日2010年10月8日
發明者侯娜娜, 劉彥華, 劉雪冬, 李培佑, 李士琦 申請人:北京能泰高科環保技術有限公司