In this work, multinuclear solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is used to investigate a range of inorganic materials, often in combination with DFT (density functional theory) studies. Solid-state NMR is particularly suited to the study of aluminophosphates (AlPOs), as the basic components of their frameworks have NMR active isotopes (²⁷Al, ³¹P, ¹⁷O), as do many of the atoms that comprise the structure directing agent (¹³C, ¹H, ¹⁵N), and the charge-balancing anions (OH⁻, F⁻). A study of the AlPO STA-15 (St Andrews microporous solid-15) provides an introduction to using solid-state NMR spectroscopy to investigate AlPOs. More in-depth studies of AlPO STA-2 (St Andrews microporous solid-2) and MgAPO STA-2 (magnesium-substituted AlPO) examine charge-balancing mechanisms in AlPO-based materials. A range of scandium carboxylate metal-organic frameworks (MOFs), with rigid and flexible frameworks, have been characterised by multinuclear solid-state NMR spectroscopy (⁴⁵Sc, ¹³C and ¹H). The materials studied contain a variety of metal units and organic linkers. ¹³C and ¹H magic-angle spinning (MAS) NMR were used to study the organic linker molecules and ⁴⁵Sc MAS NMR was used to study the scandium environment in the MOFs Sc₂BDC₃ (BDC = 1,4-benzenedicarboxylate), MIL-53(Sc), MIL-88(Sc), MIL-100(Sc) and Sc-ABTC (ABTC = 3,3`,5,5`-azobenzenetetracarboxylate). Functionalised derivatives of Sc₂BDC₃ and MIL-53(Sc) were also studied. The ⁴⁵Sc MAS NMR spectra are found to be strongly dependant on the Sc³⁺ coordination environment. ²⁷Al and ²⁵Mg MAS NMR have been used to study Ti-bearing hibonite samples (of general formula Ca(Al, Ti, Mg)₁₂O₁₉), and results compared to a recent complementary neutron powder diffraction study, in order to investigate the substitution sites for Ti³⁺/⁴⁺ and Mg²⁺. A DFT investigation was also carried out on the aluminium end member, CaAl₁₂O₁₉, due to debate in the literature on the ²⁷Al NMR parameters for the trigonal-bipyramidal site. The substitution of Mg onto the tetrahedral site (M3) and Ti primarily onto one of the octahedral sites (M4) is supported.

Vanadium extraction methods were developed for iron-vanadium-phosphorus (Fe-V-P) melts derived from processing of V-bearing titanomagnetites and steel slags. Studies on phase relationships of V slags were carried out to provide important understanding of the extraction processes. Phase relationship in vanadiferous slag was investigated experimentally at 1573K, 1673K and 1773K, for the compositional range of 0-6mass% Al2O3, 1-5mass% CaO, 10-17mass% SiO2, with MnO and V2O3 fixed at 5.5mass% and 30mass%, balanced with FeO. The slags were found to be solid-liquid mixtures, of liquid, spinel and in some cases free silica. Alumina was identified as the preferred additive to prohibit precipitation of free silica. A method for V extraction to vanadiferous slag was developed based on Fe-V(2mass%)-P(0.1mass%) melts at 1677K using a semi-industrial scale BOF. Oxidation was carried out with an oxygen enriched air jet and iron ore pellets. The complete dissolution of pellets was achieved by deliberately creating good stirring conditions utilising high momentary decarburisation rates. The P distribution to the slag was low when good stirring conditions was obtained. Phase relationship in Al2O3-CaO(25-35mass%)-SiO2-VOx slag was investigated experimentally at an oxygen partial pressure of 9.37•10-11atm and 1873K. The maximum solubility of V-oxide in the slag was 9-10mass% V2O3. Two solid phases were found, a solid solution of Al2O3 in V2O3 (karelianite) and hibonite with fractionation of V into the crystal structure. V extraction experiments to Al2O3-CaO-SiO2 based slags were carried out in 150kg scale by blowing CO2 gas into the metal bath consisting mainly of 1-10mass% V and 1mass% P. At these conditions, oxidation of V was favoured over Fe. Up to 10-13mass% V2O3 could be dissolved in the slag before a viscous slag saturated in V-oxide was observed. The phosphate capacity in the slag was low and as a result this slag could at once be subjected to a final reduction step for production of ferrovanadium with 40-50mass% V. / Metoder för att utvinna vanadin till högvärdiga vanadinslagger från metallsmältor innehållande främst järn (Fe), vanadin (V) och fosfor (P) utvecklades. Metallsmältorna framställs genom att processa primära V råvaror, såsom titanomagnetit, och sekundära råvaror av i huvudsak vanadinrik stålslagg. Fasstudier av högvärdiga vanadinslagger genomfördes som grund för utvecklingsarbetet. Experimentella fasstudier av vanadinspinellslagg med 30vikt% V2O3 och 5.5vikt% MnO genomfördes vid en temperatur av 1573K, 1673K och 1773K. Övriga komponenter i slaggen varierades inom ett intervall av 0-6vikt% Al2O3, 1-5vikt% CaO och 10-17vikt% SiO2, viktad med järnoxid. Samtliga slagger var sammansatt av både flytande- och fastfas. Den fasta fasen utgjordes främst av en vanadin- och järnrik spinellfas och i vissa fall även av fri SiO2. Genom försök i en stålkonverter i semi-industriell skala utvecklades och validerades en metod för vanadinutvinning från råjärnsmältor innehållande 2vikt% V och 0.1vikt% P, vid en temperatur av 1677K. Oxidationen utfördes med syreanrikad luft via en vattenkyld topplans och genom tillsats av hematit pellets. Omsättningen av pellets säkerhetsställdes genom god omrörning som erhölls under korta perioder med höga gasvolymer som en effekt av hög avkolningstakt. Råjärnet efter behandlingen innehöll cirka 3vikt% C och 0.1vikt% V. Producerad vanadinspinellslagg bestod av upp till 30vikt% V2O3. Fosforfördelningen till slaggen var låg under processbetingelser med god omrörning. Experimentella fasstudier av Al2O3-CaO(25-35vikt%)-SiO2-VOx slagg genomfördes vid en temperatur av 1873K och ett syrepartialtryck av 9.37·10-10atm. Den maximala lösligheten av vanadinoxid i slaggen var 9-10vikt% V2O3. Två fasta faser identifierades, V2O3 (Karelianit) med fast löslighet av Al2O3 och Hibonit med vanadinoxid inlöst i kristallstrukturen. Experimentella försök för att utvinna vanadin från en stålsmälta bestående av 1-10vikt% V och 1vikt% P till en slagg med en initial sammansättning av 7-40vikt% Al2O3, 25-35vikt% CaO och 27-64vikt% SiO2 utfördes i en skala av 150kg. Oxidation av vanadin åstadkoms genom att blåsa in CO2 gas i stålsmältan via en spolsten. Under dessa processförhållanden var oxidationen av vanadin gynnsam framför järn och fosfor. Lösligheten av vanadinoxid i slaggen var upp till 10-13vikt% V2O3. Slagg mättad med vanadinoxid var viskös som en konsekvens av utfällning av V2O3 med inlöst Al2O3. Slaggens gynnsamma vanadin och järn- samt vanadin och fosfor förhållande möjliggör att genom slutreduktion producera ferrovanadin med en vanadinhalt av 40-50vikt% och låg fosforhalt. / <p>QC 20170912</p>