[发明专利]一种生产高纯四氧化二钒粉体的系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于化工、材料领域，特别涉及一种生产高纯四氧化二钒粉体的系统及方法。

背景技术

氧化钒是重要的工业钒制品之一，广泛应用于生产钒铁和氮化钒等合金添加剂以及催化剂、着色剂、硬质合金添加剂等领域。随着新能源技术的不断发展，电池行业对高纯氧化钒(纯度3N5以上)的需求日益强劲，包括具有良好大规模储能性能的全钒液流电池(VRB)和电动汽车用钒酸盐系锂离子电池等。然而，现有工业技术通常仅可制备纯度2N5的五氧化二钒(即HGT 3485-2003规定指标的产品)，难以满足电池行业用五氧化二钒的要求。对于全钒液流电池(VRB)而言，通常是将高纯五氧化二钒还原配制得到硫酸氧钒(VOSO₄)电解液，而采用高纯四氧化二钒配制电解液具有明显的优势。因此，如何低成本、高效制备高纯五氧化二钒、尤其是高纯四氧化二钒是新能源技术领域亟待解决的热点问题之一。

目前，通常以浸出钒溶液或富钒物料(如多钒酸铵、偏钒酸铵、工业级五氧化二钒等)溶解得到钒溶液为原料，采用化学沉淀净化或(和)溶剂萃取/离子树脂交换等方法进行净化，得到纯净的钒溶液然后进行铵盐沉淀得到纯净的多钒酸铵或偏钒酸铵沉淀，再经过煅烧分解得到高纯五氧化二钒粉体，如中国专利申请CN1843938A、CN102730757A、CN103145187A、CN103515642A、CN103194603A、CN103787414A、CN102181635A、CN103663557A和欧洲专利EP0713257B1等。在这些方法中，除杂工艺参数与原料的杂质含量密切相关，因而对原料的适应性差；净化过程中使用的钙盐、镁盐净化剂或萃取剂、酸碱试剂以及钒沉淀用铵盐也容易引入杂质。为了提高产品质量，通常要求使用纯度较高的昂贵试剂，因而成本过高，无法规模化生产且产品纯度难以稳定在3N5以上。

针对净化剂或萃取剂易引入杂质和试剂使用成本过高的问题，相关机构还提出采用反复沉淀法实现钒溶液的净化除杂，即利用含钒溶液的铵盐沉淀特性，选择性地将钒沉淀出来而将杂质离子部分抑制于沉淀后的溶液中，然后再次将得到的铵盐沉淀溶解后，进行多次重复操作，从而得到较为纯净的多钒酸铵或偏钒酸铵沉淀，再经过煅烧分解得到高纯五氧化二钒粉体，如中国专利申请CN103606694A和CN102923775A等。这有效降低了试剂使用量及其引入杂质的可能性，但溶解-沉淀过程仍需使用大量纯度较高的酸碱试剂和铵盐，提纯成本仍然较高；且繁冗的多次沉淀操作既降低了生产效率又造成钒直收率的明显下降。另外，上述溶液净化方法中，萃取/反萃、沉淀、洗涤等操作步骤会产生大量的废水，主要含有少量的钒离子、铵根离子和大量的钠盐，处理难度大、污染问题突出，这也严重制约了其规模化工业应用。

因金属氯化物的沸点及饱和蒸气压相差较大，不同金属氯化物很容易通过蒸馏/精馏实现分离，原料氯化-精馏提纯-后续处理是高纯物质的常用制备工艺，如高纯硅(多晶硅)、高纯二氧化硅等。由于钒的氯化物三氯氧钒与常见杂质铁、钙、镁、铝、钠、钾等的氯化物沸点相差很大，很容易通过精馏得到高纯三氯氧钒，而从高纯三氯氧钒通过水解和铵盐沉淀，再辅以煅烧即可制备高纯五氧化二钒。因此，采用氯化法制备高纯五氧化二钒从原理上具有较大的优势。实际上，采用氯化法制备高纯五氧化二钒不仅原理上可行，而且早在上世纪60年代，就由美国爱荷华州立大学的研究人员在实验室得以实现(Journal of the Less-Common Metals,1960,2:29-35)。他们以多钒酸铵为原料，通过配碳氯化制得粗三氯氧钒，蒸馏提纯获得高纯三氯氧钒，铵盐沉淀得到高纯偏钒酸铵，最后在500～600℃下煅烧获得高纯五氧化二钒粉体，但沉淀、洗涤过程将产生大量的氨氮废水(每t五氧化二钒产品至少产生1.8t的氯化铵废盐)，处理难度大；铵盐沉淀、干燥、煅烧过程不仅能耗高，而且极易造成环境污染。另外，该项研究仅在实验室设备上、分段间歇地实现了氯化法制备高纯五氧化二钒，无法提供工业规模如何采用氯化法连续制备高纯五氧化二钒相关信息，可能也正是由于这些原因，之后的几十年里，也难觅氯化法连续制备高纯五氧化二钒的报道。