Термодинамическое описание процесса сорбции ванадия на углеродсодержащем сорбенте

Аннотация

Показана возможность сорбционного извлечения соединений ванадия из кислых сред на высокоразвитой поверхности активированного древесного угля, модифицированного катионными ПАВ. Установлено, что сорбируются преимущественно полиоксосоединения ванадия. Доказано, что сорбционному извлечению ванадия из водного раствора не мешают ионы меди, никеля, железа, кальция, магния, натрия и калия. Наилучшие показатели сорбции ванадия на модифицированном углеродсодержащем сорбенте достигаются в диапазоне рН от 2 до 4, то есть в кислой области. При данных значениях рН гидроксиды других металлов еще не начинают осаждаться, что позволяет получить чистый продукт. Уменьшение сорбции ванадия при увеличении рН среды связано с тем, что полианионы ванадия, которым соответствуют поликислоты состава: Н₂V₄O₁₁, Н₆V₁₀O₂₈, H₄V₆O₁₇, распадаются на анионы, которым соответствуют кислоты состава: Н₄V₂O₇, HVO₃, H₃VO₄. Таким образом, на один сорбционный центр улавливается анион, содержащий меньшее количество атомов ванадия.

Заполнение поверхности сорбента соединениями ванадия идет по типу сорбции Ленгмюра, что позволяет провести термодинамическое описание процесса и определить основные энергетические составляющие.

Термодинамические исследования показали, что извлечение ванадия сводится к физической адсорбции полиоанионов на положительно заряженной поверхности древесного угля (степень извлечения составляет 84 %). Вывод о физической адсорбции сделан исходя из того, что ΔG реакции с увеличением температуры уменьшается, а тепловой эффект реакции не превышает 13 кДж/моль.

Дополнительно продукты обжига насыщенного сорбента исследованы при помощи рентгенофазового анализа. На рентгенограмме обнаружены фазы оксида ванадия V₂O₅ и сложного оксида на основе оксида ванадия и оксида марганца состава MnO∙V₂O₅. Таким образом, конечный продукт обжига насыщенного сорбента – пентоксид ванадия с примесями марганца. Если проводить обжиг насыщенного сорбента совместно с восстановителем, то можно получить металлический ванадий. При этом степень чистоты конечных продуктов составляет порядка 99 %.