钒渣焙烧-浸出过程中含钒物相原子尺度演变机理的研究

In order to increase vanadium recovery from vanadium titanomagnetite, it is critical to understand the evolution mechanism of vanadium-containing species during roasting and leaching of vanadium slag, including development laws of vanadium's valence state and atomic atmosphere. However, there is no effectvie analysis method of vanadium valence state or study about the evolution mechanism at the atomic scale. In this project, it is proposed to establish highly sensitive, selective, efficiency analysis method of vanadium valence state based on microchip electrophoresis coupled with chemiluminescent detection for studying change rule of vanadium valence state quantitatively. It is also proposed to utilize FESEM-EDS, EELS, TEM-SADP and EBSD to characterize "atomic chemical environment", "atomic chemical state", "atomic spacial environment", respectively, of vanadium atoms to establish systematic characterization method of "atomic atmosphere" in order to study "atomic atmosphere" of vanadium atoms qualitatively. By combination of modern analytical chemistry method and modern material structure characterization techniques, in which the former provides quantitative results of bulk and the latter provides quanlitative results of micro zone with "valence state" as the linking bridge, the quantitative evolution rules at atomic scale of vanadium-containing species during roasting and leaching of vanadium slag will be indicated. Research results from this project will reveal reconstitution mechanism of vanadium-containing species during roasting and leaching of vanadium slag at the atomic level and complete relative phase reconstitution theory, which provides theoretical and technical supports for realizing new metallurgy technique of vanadium titanomagnetite with high vanadium recovery and high atomic economy.

提高钒钛磁铁矿提钒回收率的关键为在原子尺度下深刻认识钒渣焙烧-浸出过程中含钒物相演变机理，即钒原子价态变化的定量规律与钒"原子氛"变化规律。但目前缺乏高效的钒价态分析法，亦尚未在原子尺度下研究相关演变机理。本项目拟建立高灵敏度、高选择性、高分离效率的微芯片电泳-化学发光钒价态分析法，定量研究体相钒价态变化规律；利用FESEM-EDS、EELS、TEM-SADP和EBSD表征钒原子的"原子化学环境"、"原子化学状态"与"原子空间环境"，建立钒"原子氛"的系统表征方法，定性研究微区中钒"原子氛"变化规律。联用现代分析化学方法与材料微区结构表征技术，以"钒价态"为桥梁、前者体相定量结合后者微区定性，研究钒渣焙烧-浸出过程中含钒物相的定量原子尺度演变规律。本项目将从原子水平上揭示钒渣焙烧-浸出过程中含钒物相重构机理，完善钒冶金过程物相重构理论，为实现高"原子经济性"的钒钛磁铁矿冶金新技术奠定基础。

提高钒钛磁铁矿提钒回收率的关键为在原子尺度下深刻认识钒渣焙烧-浸出过程中含钒物相演变机理，即钒原子价态变化的定量规律与钒"原子氛"变化规律。本项目所创建的钒“原子氛”概念是指钒原子的“原子状态”、“原子化学环境”、“原子空间环境”：钒“原子状态”指钒原子的价态；钒原子的“原子化学环境”是指钒原子周围元素种类和所在的物相种类；钒原子的“原子空间环境”包括钒原子所在晶体结构、矿相种类和周围矿相种类。然而，目前缺乏高效的钒价态分析法，亦尚未有“原子氛”的表征方法在原子尺度下研究相关演变机理。针对此，本项目主要开展了以下三方面的研究：①钒价态分析方法的研究；②钒“原子氛”表征方法的研究；③在①和②研究的基础上，研究钒渣提钒过程的关键步骤——钒渣焙烧过程中含钒物相的原子尺度演变规律。首先，建立了基于高效液相色谱法的钒价态定量分析方法，可定量分析各价态钒离子的含量；该方法灵敏度高、选择性高、分离效率高，适用于钒冶金体系。同时，建立了钒“原子氛”的系统表征方法：利用XPS表征钒原子的“化学状态”；利用XRD和ICP-AES表征钒原子的“原子化学环境”；利用SEM、EDS表征钒原子的“原子空间环境”。最后，以焙烧时间分别为2.5 min、5 min、10 min、15 min、30 min、50 min、70 min、90 min时的钒渣钠化焙烧熟料为研究对象，探明了焙烧过程中钒原子“原子状态”、“原子化学环境”、“原子空间环境”的演变规律，从而揭示了钒渣焙烧过程中含钒物相的原子尺度演变机理。该项目的研究，从原子水平上揭示钒渣焙烧-浸出过程中含钒物相重构机理，完善钒冶金过程物相重构理论，为实现高"原子经济性"的钒钛磁铁矿冶金新技术奠定基础。此外，所创建的“原子氛”概念及其系统表征方法是通用方法，亦将推动其它矿物复杂多相反应机理的研究。