01
第一部分:引言
釩催化劑是現(xiàn)代工業(yè)過程中比較重要的化學(xué)品之一,廣泛用于石油化工、硫酸生產(chǎn)、煙氣脫硫等領(lǐng)域。生產(chǎn)硫酸的關(guān)鍵是在轉(zhuǎn)化器中,SO2和空氣中的O2在釩催化劑的作用下催化轉(zhuǎn)化為SO3,其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到硫酸生產(chǎn)效率、成本及尾氣中硫氧化物的排放。催化劑在裝置上長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)因雜質(zhì)氣、燒結(jié)、老化、氟砷中毒等引起失活或活性下降。為保證其催化劑的運(yùn)行效率和降低硫酸生產(chǎn)成本,需定期對(duì)裝置中的催化劑進(jìn)行篩分、補(bǔ)充和替換,根據(jù)報(bào)道,每年從裝置上更替下來的廢催化劑約9000t。這些被替換下來的工業(yè)硫酸廢催化劑中含有4%~8%的V2O5和18%~30%的堿金屬硫酸鹽[8],及其他少量的AL、Fe、Mn、Cr等雜質(zhì),因而作為釩化合物和堿金屬鹽資源化回收利用的重要原料[9]。從工業(yè)硫酸廢催化劑中回收利用釩和堿金屬鹽是許多科研人員所關(guān)注的熱點(diǎn),其目的是將廢催化劑中的釩、堿金屬硫酸鹽分離出來并加以利用[10-12]。因構(gòu)成催化劑的載體硅藻土具有很強(qiáng)的吸水性,在常規(guī)的浸取過程中很難對(duì)其中的釩和堿金屬鹽等有價(jià)金屬進(jìn)行徹底分離,通常浸取渣中還含有0.5%~1%釩化合物。柱層析分離是一種自上而下的流動(dòng)浸取分離方式,能逐級(jí)地將廢催化劑的堿金屬鹽和釩化合物沖洗出來,為提高釩及堿金屬鹽的浸出效率,對(duì)其化學(xué)組分進(jìn)行監(jiān)控具有非常重要的意義。電感耦合等離子發(fā)射光譜是一種成熟且常用的組分含量分析手段,具有精密度高、測(cè)試范圍寬、同時(shí)多元素檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于多種材料的組分含量測(cè)定。因工業(yè)硫酸廢催化劑特殊的化學(xué)組成,目前基于電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)同時(shí)測(cè)定廢催化劑中釩、鉀、鈉、鋁、鐵、砷、硫的研究報(bào)道較少。本文在工業(yè)硫酸廢催化劑柱層析浸取實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法同時(shí)測(cè)定樣品中的釩、鉀、鈉、鋁、鐵、砷、硫元素含量,并考察廢催化劑浸取前后微觀結(jié)構(gòu)情況及主要成分浸出效率,測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確且穩(wěn)定性較好。
02
2.實(shí)驗(yàn)部分
2.1實(shí)驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)所需的硫酸廢催化劑(購(gòu)自于威頓(中國(guó))化工有限責(zé)任公司)),電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES;上海有限公司),微波消解儀及石墨爐消解儀,移液槍1~5mL,多功能電動(dòng)單道移液器100~1000μL、電子天平,去離子水采用超純水機(jī)制備的I級(jí)水,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)購(gòu)自北京北方偉業(yè)計(jì)量技術(shù)研究院,硝酸、氫氟酸、鹽酸等均為優(yōu)級(jí)純(購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司),AL、V、Fe、K、Na、As、S的混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(定制濃度,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心),氬氣純度>99.999%。
2.2廢催化劑浸取實(shí)驗(yàn)
將廢催化劑粉碎過篩處理,獲得粒徑約為4~5mm的樣品(標(biāo)記為Samp.1),隨后將樣品裝入直徑為60mm的層析柱中,上層塞上棉花,首先采用去離子水浸洗廢催化劑中的堿金屬鹽及其他可溶性物質(zhì),待催化劑顆粒全部轉(zhuǎn)化為褐色后,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的草酸溶液或硫代硫酸鈉溶液繼續(xù)進(jìn)行還原浸洗釩化合物,至層析柱中樣品全部從褐色轉(zhuǎn)化為亮黃色,然后在用100mL去離子水浸洗,得到浸取處理樣品Samp.2,隨后對(duì)Samp.2樣品進(jìn)行壓榨處理后得到Samp.3樣品。催化劑浸出方法參照專利CN114045400B進(jìn)行[16],具體過程如圖所示。
2.3實(shí)驗(yàn)方法
2.3.1樣品制備
稱取約40g廢催化劑及浸取渣樣品,在瓷研缽內(nèi)破碎研細(xì)、過篩處理后,將樣品置于干燥箱中105~110℃干燥處理2h,后取出置于干燥器內(nèi)冷卻至室溫備用。稱取約0.10g(精確至0.0001g)樣品于消解罐中,加入5mL濃硝酸、3mL氫氟酸、2mL濃鹽酸,蓋上蓋子放入微波消解儀,設(shè)定程序升溫消解,消解完成打開風(fēng)扇冷卻至室溫,對(duì)消解液進(jìn)行趕酸處理后,將得到的消解液進(jìn)行定容、稀釋配制待測(cè)溶液。
微波消解程序?yàn)椋菏覝厣?span lang="EN-US">80℃,保持20min,隨后升至溫至100℃,保持時(shí)間20min,再升溫至120℃,保持10min,最后升至180℃,保持20min,所得的消解液澄清,無雜質(zhì)顆粒物。將所得的消解液置于166℃石墨爐上趕酸,保持試樣酸度與標(biāo)液中酸度相近,以抵消酸度帶來的干擾。
ICP-OES工作條件:高頻發(fā)射功率為1150W,泵速30r/min,載氣流量為0.62L/min,冷卻氣流量為12.5L/min,輔助氣流量為0.50L/min,觀測(cè)高度為10mm。
2.3.2標(biāo)準(zhǔn)溶液配制
取5mL定制濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液置于50mL容量瓶,加入3mL的1+1硝酸溶液,加水定容至刻度得到中間儲(chǔ)備液,再分別用移液槍移取0、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0mL中間儲(chǔ)備溶液于50mL容量瓶,并加入3mL(1+1)硝酸溶液,加水定容至刻度,搖勻后得到S、K濃度為0、1.0、2.0、4.0、8.0、16mg/L,AL、Fe濃度為0、0.07、0.14、0.28、0.56、1.12mg/L,V濃度為0、0.66、1.32、2.64、5.28、10.56mg/L,Na濃度為0、0.34、0.68、1.36、2.72、5.44mg/L,As濃度為0、0.04、0.08、0.16、0.32、0.64mg/L的系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。
2.3.3分析譜線的選擇
按照方法確定的儀器工作條件,通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)系列溶液和未知含量待測(cè)樣品溶液進(jìn)行光譜掃描,經(jīng)扣除背景處理、對(duì)比檢測(cè)圖譜數(shù)據(jù),選擇無干擾鋒、信噪比大、靈敏度高、強(qiáng)度大的元素譜線作為待測(cè)組分的分析譜線,經(jīng)綜合考察最終確定AL、V、Fe、K、Na、As、S的譜線分別為394.401、309.311、238.204、766.490、589.592、189.042、180.731nm。
03
結(jié)果與討論
2.1校準(zhǔn)曲線和檢出限
按照儀器設(shè)定的工作條件及所取得的譜線,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行系列測(cè)定,以待測(cè)元素的濃度為橫坐標(biāo),發(fā)射強(qiáng)度為縱坐標(biāo),繪制校準(zhǔn)工作曲線。在最佳儀器工作條件下對(duì)空白樣品連續(xù)測(cè)定11次,以測(cè)定結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍計(jì)算各待測(cè)元素的檢出限,以9倍檢出限為測(cè)定下限,其標(biāo)準(zhǔn)溶液工作曲線的線性關(guān)系和檢出限及元素波長(zhǎng)見表1。
根據(jù)表1中的檢測(cè)數(shù)據(jù)可知,除砷的相關(guān)性系數(shù)為0.9997外,V、K、Na、S、AL、Fe的相關(guān)性系數(shù)(R2)均大于0.9999,因此,在線性范圍內(nèi),檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性符合檢測(cè)要求。
2.2加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)
按照實(shí)驗(yàn)方法,測(cè)定廢催化劑浸取前后樣品中AL、V、Fe、K、Na、As、S,并進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn),具體測(cè)定結(jié)果如表2所示。
根據(jù)表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,樣品中7種元素的加標(biāo)回收率在98.9%~102%,符合相關(guān)分析標(biāo)準(zhǔn)要求,檢測(cè)結(jié)果滿足日常檢測(cè)準(zhǔn)確度的要求。
2.3方法精密度實(shí)驗(yàn)
按照實(shí)驗(yàn)方法,測(cè)定工業(yè)硫酸廢催化劑浸取后的樣品中AL、V、Fe、K、Na、As、S單元素含量,同一樣品平行檢測(cè)11次,檢測(cè)方法的精密度,檢測(cè)結(jié)果見表3。
根據(jù)表3中的檢測(cè)數(shù)據(jù)可知,除As的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.2%外,其余元素檢測(cè)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于1%,對(duì)于工業(yè)硫酸廢催化劑中的AL、V、Fe、K、Na、As、S七種元素含量在μg/g級(jí)別的檢測(cè)來說,方法精密度好,可以滿足檢測(cè)要求。
2.4廢催化劑主要元素的浸出效率
按照儀器設(shè)定的最佳實(shí)驗(yàn)條件下,采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)法對(duì)廢催化劑浸取前后樣品中的釩、鉀、鈉、鐵、鋁、硫、砷7種目標(biāo)元素含量進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定結(jié)果見表4。
根據(jù)表4中的測(cè)定數(shù)據(jù)可以看出,廢催化劑樣品中主要物質(zhì)為釩、鈉、硫和鉀化合物,其一次浸取的浸出率分別為90.82%、93.55%、95.81%、93.68%,經(jīng)壓榨處理后,目標(biāo)元素的浸出率提高至95.28%、98.39%、98.88%、97.82%。
2.5樣品測(cè)試結(jié)果對(duì)比
采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES))法、原子吸收光譜(AAS)法及化學(xué)分析法對(duì)3種廢催化劑樣品中相關(guān)組分及含量進(jìn)行了檢測(cè),其中化學(xué)分析法主要采用高錳酸鉀-硫酸亞鐵銨、四苯硼鈉法測(cè)定樣品中的釩和鉀含量[17],具體測(cè)試數(shù)據(jù)見表5。
根據(jù)表5中的測(cè)定數(shù)據(jù)可知,采用ICP-OES法測(cè)定廢催化劑3種樣品中的釩、鉀、鈉、鐵、鋁、硫、砷元素的測(cè)試數(shù)據(jù)與原子吸收光譜法或化學(xué)分析法測(cè)定結(jié)果接近,尤其是重點(diǎn)關(guān)注的釩、鉀含量,ICP-OES測(cè)試的結(jié)果與化學(xué)和AAS測(cè)定結(jié)果一致,符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求。
04
1)采用微波消解及ICP-OES法對(duì)樣品中的V、S、K、Na、AL、Fe、As含量進(jìn)行了測(cè)定研究,并與AAS法和化學(xué)分析法進(jìn)行了對(duì)比分析。此外,初步考察廢催化劑浸取前、浸取及擠壓處理后樣品中V、Na、S、K的含量,并對(duì)廢催化劑樣品中V、Na、S、K的浸取率進(jìn)行了考察,結(jié)果發(fā)現(xiàn),樣品經(jīng)過擠壓處理后,V、Na、S、K的浸出率可提高至95.28%、98.39%、98.88%、97.82%。
2)采用柱層析分離法對(duì)硫酸工業(yè)廢催化劑樣品中的有價(jià)元素進(jìn)行了浸取研究,SEM表征結(jié)果表明,采用柱層析浸取處理后載體硅藻土表面和孔道中的沉積物消失,表面潔凈、孔道清晰。
3)基于廢催化劑復(fù)雜體系下,多組分物質(zhì)的ICP-OES測(cè)定方法具有較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。經(jīng)結(jié)果比對(duì)表明,ICP-OES測(cè)定結(jié)果與AAS和化學(xué)分析方法測(cè)定結(jié)果基本一致。
05
上海有限公司(以下簡(jiǎn)稱美析),是一家具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)企業(yè),美析的創(chuàng)業(yè)理念“科技——因你改變”,并以此為企業(yè)宗旨,不斷探究、果敢創(chuàng)新。特別是在分析測(cè)試儀器領(lǐng)域,不斷開發(fā)出先進(jìn)的產(chǎn)品,使美析成為優(yōu)質(zhì)儀器資源的供應(yīng)者。
美析主營(yíng)光譜類儀器:可見分光光度計(jì)、紫外可見分光光度計(jì)、原子吸收光譜儀、原子熒光光度計(jì)、ICP-AES、ICP-MS,生命科學(xué)儀器:超微量分光光度計(jì)、全自動(dòng)核酸提取儀,目前,我們的產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)藥、環(huán)保、冶金、石油、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。同時(shí)美析利用在產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)、光學(xué)設(shè)計(jì)、電氣應(yīng)用和軟件開發(fā)方面積累的豐富經(jīng)驗(yàn),結(jié)合市場(chǎng)的實(shí)際需求,近期將陸續(xù)推出一批分析類儀器。
美析非常重視人才的引進(jìn)和培養(yǎng),人的因素是一個(gè)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心因素,所以美析充分尊重每一位員工,做到真正的“共建平臺(tái),實(shí)現(xiàn)自我”。為此美析建立了強(qiáng)大的培訓(xùn)團(tuán)隊(duì),對(duì)在職員工進(jìn)行荃方位的培訓(xùn),幫助員工制定職業(yè)生涯規(guī)劃,以期公司和員工共同發(fā)展。同時(shí)美析以“家庭、敬業(yè)、學(xué)習(xí)”的職業(yè)操守啟迪著員工,每一個(gè)美析人都以飽滿的熱情和專業(yè)的技能完,美呈現(xiàn)每一臺(tái)儀器、服務(wù)每一位客戶。對(duì)人才的重視和尊重使公司的各個(gè)環(huán)節(jié)都充滿著嚴(yán)謹(jǐn)和激情,全新的設(shè)計(jì)理念、對(duì)高精度高參數(shù)的苛刻要求、應(yīng)用范圍的持續(xù)延伸,所有這些都在我們的產(chǎn)品先進(jìn)性上得到了完mei呈現(xiàn);從原材料的嚴(yán)格驗(yàn)收,到各工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)流水線作業(yè),再到質(zhì)檢部門的嚴(yán)格出廠檢測(cè),美析人對(duì)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的苛刻要求使得公司建立起一套完善的過程質(zhì)量控制系統(tǒng),并在儀器的質(zhì)量上得到有力體現(xiàn)。也因此使我們的產(chǎn)品受到國(guó)內(nèi)外用戶的一致好評(píng)。
美析的總部及生產(chǎn)基地設(shè)在上海,營(yíng)銷中心設(shè)在北京,并在上海、北京、江蘇三地建有研發(fā)基地。為充分利用各地的智力資源,美析與國(guó)內(nèi)外的部分科研單位也進(jìn)行了深層次的科研合作,不斷將科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。為更好的服務(wù)于廣大客戶,國(guó)內(nèi)設(shè)有12家辦事機(jī)構(gòu),度身定制符合您需求的應(yīng)用解決方案,提高產(chǎn)品的附加值。在不斷服務(wù)國(guó)內(nèi)用戶的同時(shí),美析也與20多個(gè)國(guó)家的分銷機(jī)構(gòu)建立了深度的戰(zhàn)略合作關(guān)系。
伴隨著美析躋身全球品牌儀器行列步伐的加快,美析對(duì)自身的要求不斷提高,同時(shí)我們也希望能得到社會(huì)各界的關(guān)愛和支持,讓我們攜手共同展望??萍?,必將因你我而改變。
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