从铜转炉烟灰中浸出铜、锌试验研究

侯新刚,张琰,张霞

(1.兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃兰州730050;2.兰州理工大学甘肃省有色金属新材料重点实验室,甘肃兰州730050)

从铜转炉烟灰中浸出铜、锌试验研究

侯新刚1,2,张琰1,张霞1

(1.兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃兰州730050;2.兰州理工大学甘肃省有色金属新材料重点实验室,甘肃兰州730050)

研究了从铜火法冶炼中的铜转炉烟灰中用硫酸浸出有价金属。通过单因素试验,确定了最佳浸出工艺条件。试验结果表明：反应时间和液固体积质量比对铜、锌浸出率影响较小,而硫酸浓度、反应温度等因素则有较大影响;在搅拌速度300 r/min、反应温度70℃、反应时间1.5 h、液固体积质量比7∶1、硫酸浓度1.80 mol/L条件下,锌、铜浸出率均大于90%。

铜转炉烟灰;硫酸;铜;锌;浸出;单因素试验

目前,国内用火法冶金技术提取的铜约占总铜产量的80%,以湿法冶金技术提取的铜约占总铜产量的20%[1-4]。在火法冶炼系统中,铜锍吹炼过程中,锌、铅、铋等易挥发元素随少量铜一起进入电收尘系统,形成铜转炉烟灰。这部分烟灰随铜锍一起返回转炉吹炼系统时,会增加入炉原料的杂质含量,也使锌、铅、铋等杂质在系统中不断循环、积累,堵塞转炉烟道,污染作业区空气,而且产出的粗铜进入火法精炼工序后,对铜阳极板的质量有严重不良影响。因此,研究从铜转炉烟灰中综合回收有价金属不仅有利于铜冶炼工艺的优化,也符合可持续发展的产业政策。目前,国内外处理铜转炉烟灰有多种工艺[5-8],但都存在金属回收率低、操作条件差、对环境有污染等问题。本试验研究了用硫酸处理铜转炉烟灰中,以湿法回收其中的铜和锌,确定了浸出工艺条件。

1 试验部分

1.1 试验原理

硫酸浸出铜转炉烟灰的主要反应如下：

1.2 试剂及仪器

试验原料：铜转炉烟灰取自北方某铜业公司,其主要成分和铜锌物相分析见表1～2。

表1 铜转炉烟灰主要化学成分的质量分数%

表2 铜转炉烟灰中铜、锌物相质量分数%

试剂：浓硫酸(分析纯,山东双双化工试剂有限公司生产);蒸馏水(25℃,自制)。

仪器：HH-S数显恒温水浴锅;JJ-6数显直流恒速搅拌器(江苏省金坛市医疗仪器厂提供);500 mL三颈圆底烧瓶;温度计;布氏漏斗;SHB-B88型真空泵。

1.3 试验方法

浸出试验在500 mL三颈烧瓶中进行。将三颈烧瓶置于恒温水浴锅中,与电动搅拌器相连。按一定液固体积质量比加入稀释后的硫酸溶液,开启搅拌器并加热,达到预定温度后,迅速加入铜转炉烟灰。浸出过程中,严格控制反应温度,搅拌速度控制在300 r/min。浸出后用布氏漏斗和真空泵过滤分离。分析浸出液中铜、锌质量浓度,用下列公式计算浸出率：

其中：r为元素浸出率,%;ρ为浸出液中元素的质量浓度,g/L;V为浸出液体积,L;m为铜转炉烟灰质量,g;w为铜转炉烟灰中各元素质量分数,%。

1.4 分析方法

铜离子质量浓度采用碘量法滴定测定;锌离子质量浓度采用EDTA滴定法测定。

2 试验结果与分析

2.1 硫酸浓度对铜、锌浸出率的影响

试验条件：温度70℃,搅拌速度300 r/min,浸出时间1.5 h,液固体积质量比7∶1。硫酸浓度对铜、锌浸出率的影响如图1所示。

图1 初始硫酸浓度对铜、锌浸出率的影响

从图1看出,硫酸浓度对铜、锌浸出率影响较大：随硫酸质量浓度增大,铜、锌浸出率增大明显;硫酸浓度增大到1.80 mol/L后,铜、锌浸出率变化不明显。这是因为初始酸度越大,H+浓度越高,H+与烟灰颗粒表面接触发生反应几率越大,也就越有利于铜、锌浸出;随反应的进行,H+不断消耗,浸出液p H值增大,锌、镉等离子发生水解沉淀,使浸出反应难以继续进行。因此,浸出过程中,须加入过量稀硫酸阻止锌、镉离子的水解沉淀;硫酸浓度较大时,转炉烟灰中的铜、锌等元素有可能被难溶反应产物PbSO4包覆而无法与酸接触,影响铜、锌的浸出。综合考虑,初始硫酸浓度以1.80 mol/L为宜。

2.2 温度对铜、锌浸出率的影响

试验条件：硫酸浓度1.80 mol/L,搅拌速度300 r/min,浸出时间1.5 h,液固体积质量比7∶1。温度对铜、锌浸出率的影响如图2所示。

图2 浸出温度对铜、锌浸出率的影响

从图2看出：升高温度有利于铜、锌浸出;70℃时,铜、锌浸出率均超过90%;但温度超过70℃后,铜、锌浸出率变化不大,且水分挥发加剧。温度升高,铜转炉烟灰中酸溶物质在溶液中的溶解度增大,表面扩散层厚度相应减薄,硫酸容易通过扩散层达到铜转炉烟灰表面与金属化合物发生反应,同时也有利于反应产物通过扩散层离开其表面,从而使浸出速率加快,铜、锌浸出率提高。随温度升高,烟灰表面扩散层厚度趋于一个最小值,铜、锌浸出率趋于稳定。综合考虑,温度以70℃为最佳。

2.3 浸出时间对铜、锌浸出率的影响

试验条件：硫酸浓度1.80 mol/L,搅拌速度300 r/min,温度70℃,液固体积质量比7∶1。浸出时间对铜、锌浸出率的影响如图3所示。

图3 浸出时间对铜、锌浸出率的影响

可以看出：随浸出时间延长,铜、锌浸出率变化不大;反应进行1.5 h后,铜、锌浸出率均达90%以上;浸出时间超过1.5 h后,铜、锌浸出率基本不再变化。这是由于反应前期,溶液中H+浓度较高,反应速度较快,铜、锌浸出很快达到平衡。因此,浸出时间以1.5 h为最佳。

2.4 液固体积质量比对铜、锌浸出率的影响

试验条件：硫酸浓度1.80 mol/L,搅拌速度300 r/min,浸出时间1.5 h,浸出温度70℃。液固体积质量比对铜、锌浸出率的影响如图4所示。

图4 液固体积质量比对铜、锌浸出率的影响

由图4看出：液固体积质量比在7∶1以下,随液固体积质量比的增大,铜、锌浸出率有所增大。这是因为液固体积质量比较低时,液固多相反应进行不充分,反应产物易呈浆状;液固体积质量比提高,反应物中H+绝对数量加大,液固多相反应更充分,有利于铜、锌的浸出。液固体积质量比大于7∶1后,铜、锌浸出率变化不大,说明此时浸出反应(1)～(6)已比较完全,继续提高液固体积质量比无益于铜、锌的浸出,且从工业生产的角度考虑,也会增加原始设备的投资。综合考虑,确定最佳液固体积质量比为7∶1。

2.5 综合试验

试验条件：硫酸浓度1.80 mol/L,搅拌速度300 r/min,浸出时间1.5 h,浸出温度70℃,液固体积质量比7∶1。试验结果表明：在最优条件下,铜浸出率达91.3%,锌浸出率达96.7%。浸出渣的能谱分析结果表明,渣中大量存在的是硫酸铅、石英及硅酸铁,表明酸浸出后有价金属几乎全被浸出,而铁、铅进入渣中。

3 结论

用硫酸作浸出剂处理铜转炉烟灰,可将其中的铜、锌完全浸出,实现同转炉烟灰的综合利用。在硫酸浓度1.80 mol/L、搅拌速度300 r/min、浸出时间1.5 h、浸出温度70℃、液固体积质量比7∶1最优条件下,铜浸出率为91.3%,锌浸出率为96.7%。

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Abstract:The leaching of copper and zinc from copper converter dust with sulfuric acid was investigated by single-factor experiments.The results indicated that on leaching of copper and zinc,sulfuric acid concentration and reaction temperatures had obvious effect,while reaction time and ratio of liquid to solid showed a negligible effect.Leaching of copper and zinc was more than 90%at the conditations of sulfuric acid concentration of 1.80 mol/L and 70℃for 1.5 hour,the liquid/solid ratio of 7∶1 and stirring speed of 300 r/min.

Key words:copper converter dust;sulfuric acid;copper;zinc;leaching;single-factor experiment

Leaching of Copper and Zinc From Copper Converter Dust With Sulfuric Acid

HOU Xin-gang1,2,ZHANG Yan1,ZHAN G Xia1
(1.School of Materials Science and Engineering,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou,Gansu 730050,China;2.State Key Laboratory of Gansu A dvanced Non-f errous Metal Materials,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou,Gansu730050,China)

X756;TF803.21

A

1009-2617(2011)01-0057-03

2010-07-15

侯新刚(1958-),男,陕西杨陵人,教授级高级工程师,主要研究方向为冶金二次资源的综合利用。