微波热点诱导钒页岩高效浸出提钒机理的新见解

微波加热可以快速均匀地提高温度并加快反应速度。本文采用微波加热强化酸浸过程,并通过微观形貌分析和COMSOL Multiphysics软件的数值模拟研究了微波辅助浸出的强化机理。研究了微波功率、浸出温度、CaF₂用量、H₂SO₄浓度和浸出时间对钒浸出率的影响。在微波功率为550 W、浸出温度为95°C、CaF₂用量为5wt%、H₂SO₄浓度为20vol%、浸出时间为2.5 h的条件下,钒浸出率为80.66%,相比于常规加热浸出,浸出率提升了6.18%;同等浸出率的水平下浸出时间可以缩短9.5 h。SEM和XRD分析表明,微波加热可以细化矿物颗粒尺寸,使得钒页岩颗粒的活性表面暴露于浸出液中,从而加速反应速率。同时,微波辅助浸出后云母矿物的层状结构被剥落,有利于钒的释放。数值模拟结果表明,钒页岩颗粒中的电场强度和温度随着介质中介电常数的增加而降低;钒页岩颗粒之间的电场和温度分布相对均匀,但电场强度在颗粒接触位置处激增,该处的温度也随之激增,从而形成高温热点。此外,随着钒页岩颗粒聚集的增加,电场强度和温度在不同程度地增加。验证实验和浸出实验的结果表明,微波辅助浸出过程中存在高温热点,高温热点破坏了矿物结构,细化了矿物的粒度,并剥离了云母的层状结构。随着含钒矿物暴露表面的增加,氢离子与活性位点之间的碰撞频率增加,反应速率增加,浸出时间缩短。