Determination of the Occurrence Form of the Elements in Slags and Slimes of Vanadium Production

Complex study of the samples of technogenic raw materials (TRM) is carried out. Chemical and phase composition of the burned slag and slimes of vanadium production is performed using x-ray fluorescence spectroscopy and x-ray diffraction analysis. Sequential extraction of the chemical compounds of basic elements is studied according to the three-stage scheme recommended by the European commission is carried out. Low mobility of the aforementioned chemical compounds is observed. Compounds of vanadium and manganese in slag possess higher mobility compared to slime. Methods of atomic emission with microwave plasma (MP-AES) and mass-spectrometry with inductively coupled plasma (ICP-MS) are used to determine the total content of V, Mn, Fe, Cr, Zn, Ni, Ba, Sr, Rb, Y, Ga, Ge, Mo, La and Ce in slag and slime samples. Iron and chrome form strong oxides with silicates which can be digested only by HNO₃. It is found that the total concentrations of V, Mn, Cr in those waste materials significantly exceed the upper limit of permitted concentrations of these elements in soils. A possibility of leaching the element forms from the solid samples of vanadium slag and slime using 0.1 M solutions of Na₂CO₃ and a mobile phase for the reverse-phase high performance liquid chromatography (RP HPLC) is studied. The compounds of vanadium are quantitatively recovered by both reagents, while for manganese compounds the extraction degree ranges within 1 - 10%. A mismatch in the retention time is observed upon the chromatographic separation of V and Fe forms in the model mixtures and in the resulting solutions after chemical processing of vanadium slag and slime.

vanadium slag, vanadium slime, forms of the elements, microwave plasma atomic emission spectrometry, inductively coupled plasma mass spectrometry, sequential extraction procedure, reversed-phase chromatography, ion chromatography, ванадиевый шлак, ванадиевый шлам, формы элементов, атомно-эмиссионная спектрометрия с микроволновой плазмой, масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой, метод последовательной экстракции, обращенно-фазовая жидкостная хроматография, ионная хроматография

1. Лыщик П. А., Науменко А. И. Укрепление дорожных грунтов шлаковыми добавками / Труды БГТУ. 2012. Т. 2. С. 70-72.

2. Губанова Л. H., Пушкарская О. Ю., Алимова Л. А., Акчурин Т. К. Отходы ферросплавного производства - добавки высоконаполненных цементных бетонов / Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов: материалы VI Международной научно-технической конференции. 2011. С. 137-141.

3. Даценко В. В., Грайворонская И. В., Хоботова Э. Б., Баумер В. Н. Изучение химического и минералогического составов шлаков производства ферросплавов / Наукові праці Донецького національного технічного університету. Хімія і хімічна технологія. 2010. Т. 14. С. 132 - 142.

4. Рытвин В. М., Гильварг С. И., Игнатенко В. Г., Федоров Ю. О., Шемякин В. С., Скопов С. В. Рентгенорадиометрическое разделение минеральных и металлических фаз шлаков отвала «Ключевской обогатительной фабрики» / Материалы III Международной научно-технической конференции «Рентгенорадиометрическая сепарация минерального сырья и техногенных отходов». 2007. С. 30 - 37.

5. Ryan P. C., Hillier S., Wall A. J. Stepwise effects of the BCR sequential chemical extraction procedure on dissolution and metal release from common ferromagnesian clay minerals: A combined solution chemistry and x-ray powder diffraction study / Sci. Total Environ. 2008. Vol. 407. P. 603 - 614.

6. Neaman A., Martinez C. E., Trolard F., Bourrié G. Trace element associations with Fe- and Mn-oxides in soil nodules: Comparison of selective dissolution with electron probe microanalysis / Appl. Geochem. 2008. Vol. 23. P. 778 - 782.

7. Favas P. J. C., Pratas J., Gomes M. E. P., Cala V. Selective chemical extraction of heavy metals in tailings and soils contaminated by mining activity: Environmental implications / J. Geochem. Expl. 2011. Vol. 111. P. 160-171.

8. De Waal W. A. J., Kuiper C. C. H. M., Maessen F. J. M. J., Kraak J. C., Wijnands R., Jonker R. J. Selection of conditions for the molecular size speciation of vanadium and nickel complexes in oil by size-exclusion chromatography coupled with inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry / J. Chromatogr. A. 1989. Vol. 462. P. 115 - 135.

9. Ming X. Y., Wu Y. H., Schwedt G. HPLC analysis of V, Co, Fe and Ni by 4-(2-pyridylazo)-resorcinol and H2O2 and studies on complex properties influencing retention / Fresenius J. Anal. Chem. 1992. Vol. 342. P. 556 - 559.

10. Jen H.-F., Yang S.-M. Simultaneous speciation determination of vanadium (IV) and vanadium (V) as EDTA complexes by liquid chromatography with UV detection / Anal. Chim. Acta. 1994. Vol. 289. P. 97- 104.

11. Jane Tsai S.-J., Hsu S.-J. Speciation of vanadium (V) and vanadium (IV) with 4-(2-pyridylazo)-resorcinol by using high-perfomance liquid chromatography with spectrophotometric detection / Analyst. 1994. Vol. 119. P. 403 - 407.

12. Wann C.-C., Jiang S.-J. Determination of vanadium species in water samples by liquid chromatography-inductively coupled plasma spectrometry / Anal. Chim. Acta. 1997. Vol. 357. P. 211 -218.

13. Poledniok J., Buhl F. Speciation of vanadium in soil / Talanta. 2003. Vol. 59. P. 1-8.

14. Colina M., Gardiner P. H. E., Rivas Z., Troncone F. Determination of vanadium species in sediment, mussel and fish muscle tissue samples by liquid chromatography-inductively coupled plasma-mass spectrometry / Anal. Chim. Acta. 2005. Vol. 538. P. 107-115.

15. Genc F., Gavazov K. B., Turkyilmaz M. Ternary complexes of vanadium (IV) with 4-(2-pyridylazo)-resorcinol and ditetrazolium chlorides / Cent. Eur. J. Chem. 2010. Vol. 8. P. 461 - 467.

16. Комарова Т. В., Обрезков О. H., Шпигун О. А. Ионохроматографическое определение ванадия (IV) и (V) в виде комплексов с ЭДТА / Журн. аналит. химии. 1991. Т. 46. С. 1991 - 1996.

17. Tengku Azmi T. S. M., Mohd. Yusoff A. R., Abdul Karim K. J. Determination of vanadium (IV) and vanadium (V) in Benfield samples by IEC with conductivity detection / Chromatographia. 2010. Vol. 72. P. 141 - 144.

18. Yeh C.-F., Jiang S.-J. Speciation of V, Cr and Fe by capillary electrophoresis-bandpass reaction cell inductively coupled plasma mass spectrometry / J. Chromatogr. A. 2004. Vol. 1029. P. 255-261.

19. Soldi T., Pesavento M., Alberti G. Separation of vanadium (V) and (IV) by sorption on an iminodiacetic chelating resin / Anal. Chim. Acta. 1996. Vol. 323. P. 27 - 37.

20. Fan Z., Hu B., Jiang Z. Speciation analysis of vanadium in natural water samples by electrothermal vaporization inductively coupled plasma optical emission spectroscopy after separation/preconcentration with theonoyltrifluoroacetone immobilized on microcrystalline naphthalene / Spectrochim. Acta. Part B. 2005. Vol. 60. P. 65-71.

21. Pyrzynska K., Wierzbicki T. Pre-concentration and separation of vanadium on Amberlite IRA-904 resin functionalized with porphyrin ligands / Anal. Chim. Acta. 2005. Vol. 540. P. 91-94.

22. Veschetti E., Maresca D., Lucentini L., Ferretti E., Citti G., Ottaviani M. Monitoring of V(IV) and V(V) in Etnean drinking-water distribution systems by solid phase extraction and electrothermal atomic absorption spectrometry / Microchem. J. 2007. Vol. 85. P. 80 - 87.

23. Pacheco P. H., Olsina R. A., Smichowski P., Martinez L. D. On-line preconcentration and speciation analysis of inorganic vanadium in urine using L-methionine immobilized on controlled pore glass / Talanta. 2008. Vol. 74. P. 593 - 598.

24. Mandiwana K. L., Panichev N. Electrothermal atomic absorption spectrometric determination of vanadium (V) in soil after leaching Na2CO3 / Anal. Chim. Acta. 2004. Vol. 517. P. 201 -206.

25. Oguma K., Yoshioka O., Noro J., Sakurai H. Simultaneous determination of vanadium (IV) and vanadium (V) by flow injection analysis using kinetic spectrophotometry with Xylenol Orange / Talanta. 2012. Vol. 96. P. 44 - 49.

26. Chaurand P., Rose J., Domas J., Bottero J.-Y. Speciation of Cr and V within BOF stell slag reused in road constructions / J. Geochem. Expl. 2006. Vol. 88. P. 10 - 14.

27. Уманский Я. С., Санчук Я. Э., Поляков А. Ю. Рентгеновское исследование ванадистых шлаков / Сталь. 1951. Т. 2. С. 99- 103.

28. Руднева А. В. Минералогический состав передельных ванадиевых шлаков с высоким содержанием фосфора / Изв. вузов. Черная металлургия. 1959. Т. 2. С. 7 - 12.

29. Слотвинский-Сидак Н. П., Колпакова В. И. Структура ванадиевых шлаков и извлечение из них ванадия / Изв. вузов. Черная металлургия. 1961. Т. 8. С. 37 - 42.

30. Фоменко А. И. Золошламонакопители предприятий черной металлургии: технологические и геоэкологические аспекты / Изв. вузов. Черная металлургия. 2005. Т. 7. С. 61-64.

31. Дьячкова А. В., Малютина Т. М., Алексеева Т. Ю., Карпов Ю. А. Химическая подготовка проб отработанных автомобильных катализаторов для последующего определения платины, палладия и родия методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2011. Т. 77. С. 3 - 9.

32. Кириченко А. С., Серегин А. H., Федюнина H. H., Серегина И. Ф., Волков А. И. О некоторых методах определения содержания металлов платиновой группы в отработанных автомобильных катализаторах и продуктах их переработки / Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2014. С. 73 - 78.

33. Ure A. M., Quevauviller P., Muntau H., Griepink B. Speciation of heavy metals in soils and sediments. An account of the Improvement and harmonization of extraction techniques undertaken under the auspices of the BCR of the commission of the European Communities / Int. J. Env. Anal. Chem. 1993. Vol. 51. P. 135-151.

34. Ватолин H. А., Молева H. Г., Волкова П. И., Сапожникова Т. В. Окисление ванадиевых шлаков. - М.: Наука, 1978.- 153 с.

35. Алимарин И. П., Ушакова H. Н. Справочное пособие по аналитической химии. - М.: Московский университет, 1977. - 104 с.

36. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве. - М.: Роспотребнадзор, 2006. - 8 с.