Экологичное извлечение ванадия из отработанного ванадиевого катализатора производства серной кислоты

Преобразование промышленных отходов в ресурс

Ежегодно фабрики по производству серной кислоты выбрасывают тысячи тонн отработанного катализатора — твердых гранул, которые когда‑то ускоряли химические реакции в их установках. Эти отходы богаты металлом ванадием, ценным для промышленности, но опасным при попадании в воздух, почву и воду. В этом исследовании рассматривается способ спасения ванадия из таких материалов с помощью относительно мягкой, растительного происхождения кислоты, превращая токсичный побочный продукт в полезное сырье и уменьшая нагрузку на окружающую среду.

Почему важны ванадий и серная кислота

Серная кислота — одно из самых массово производимых химических веществ в мире; она используется в удобрениях, переработке топлива, взрывчатых веществах, красителях и автомобильных аккумуляторах. Ее производство включает превращение диоксида серы в триоксид серы с использованием ванадиевого катализатора. Со временем зерна катализатора теряют активность и заменяются, что генерирует примерно 40 000 тонн отработанного материала в мире ежегодно. В этих отвалах по‑прежнему содержится оксид ванадия (V2O5) — соединение, ценимое за электронные и каталитические свойства, но также вызывающее раздражение легких, вред растительности и загрязнение экосистем при неконтролируемом обращении.

Поиск более мягкого метода извлечения полезного металла

Извлечение ванадия из отходов не ново, но многие существующие методы опираются на сильные минеральные кислоты или агрессивные щелочные обработки. Они могут быть дорогими, коррозионно опасными и экологически нагрузочными. Авторы поставили задачу проверить, справятся ли простые органические кислоты — похожие на те, что встречаются в фруктах или уксусе — с этой задачей. Они растерли гранулы отработанного катализатора до мелкого порошка и обработали их четырьмя кислотами: лимонной, щавелевой, винной и уксусной. Тщательно регулируя концентрацию кислоты, время перемешивания, температуру и соотношение твердой фазы и жидкости, они измеряли, какое количество ванадия переходит в раствор.

Лимонная кислота проявляет себя как «зеленый» помощник

Из четырех вариантов лимонная кислота выделилась. При комнатной температуре и одинаковой концентрации она вытянула значительно больше ванадия в раствор, чем другие кислоты. Команда затем изучила, при каких условиях лимонная кислота работает лучше всего. Увеличение ее концентрации до одного моля на литр последовательно улучшало извлечение, после чего прирост выравнивался. Примерно два часа реакции были достаточны; более длительное выдерживание давало мало дополнительного эффекта. Низкое содержание твердой фазы в суспензии помогало кислоте добраться до всех поверхностей частиц, а мягкий подогрев до 70 °C повышал выход еще сильнее. При оптимальном режиме — 1 M лимонная кислота, заполнение твердой фазы 2 %, 70 °C, слегка кислая среда и двухчасовое выщелачивание — процесс позволял извлечь впечатляющие 95 % содержащегося ванадия.

Заглядывая в суть химии

Чтобы глубже понять происходящее, исследователи использовали методы, анализирующие структуру и состав материалов. Рентгеновские измерения показали, что после обработки в твердом остатке исчезли сигналы, связанные с ванадиевыми соединениями, что подтверждало переход почти всего металла в раствор. Инфракрасная спектроскопия выявила новые спектральные особенности в растворе лимонной кислоты после контакта с катализатором, согласующиеся с образованием стабильных комплексов ванадия с цитратными лигандами. Проще говоря, лимонная кислота не только освобождает ванадий из твердой фазы за счет поставки ионов водорода, но и «обволакивает» его молекулами цитрата, удерживая в растворе и делая доступным для последующего извлечения.

От раствора к ценному твердому продукту

Как только ванадий оказался в растворе, команде нужно было превратить его в полезный продукт. Они добавили обычную соль, содержащую аммониевые ионы, и довели среду до сильной щелочности. В этих условиях ванадий осадился в виде твердого аммониевого соединения. Прокаливание этого осадка на воздухе при высокой температуре превращало его в оксид ванадия (V2O5) — ярко‑желтый порошок, востребованный промышленностью. Этот завершающий этап закрывает цикл: опасный отход производства серной кислоты превращается в высокоценный материал, готовый к повторному использованию в аккумуляторах, катализаторах и других технологиях.

Более чистый путь для отходов с тяжелыми металлами

Говоря простыми словами, эта работа демонстрирует, что относительно мягкая, «цитрусовая» кислота способна эффективно извлечь опасный, но ценный металл из промышленных остатков с очень высокой эффективностью. Заменяя более жесткие химикаты и захватывая до 95 % ванадия, метод предлагает способ сократить свалки, уменьшить загрязнение и вернуть стратегический ресурс, который в противном случае был бы выброшен. При масштабировании подобные «зеленые» схемы переработки могли бы помочь многим химическим заводам рассматривать отработанные материалы не как мусор, а как вторичную шахту прямо за воротами фабрики.

Цитирование: Shaltout, A.A., El-Hallag, R.S.F. & Razek, T.M.A. Green recovery of vanadium from spent vanadium catalyst from sulfuric acid production. Sci Rep 16, 12869 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47112-6

Ключевые слова: извлечение ванадия, переработка отработанных катализаторов, выщелачивание лимонной кислотой, сернокислотная промышленность, зеленая металлургия