高碱性脉石低品位混合镍矿氧压浸出行为与机制研究

李启厚，姜 波，刘智勇，王红军，刘志宏

（中南大学 冶金科学与工程学院，湖南 长沙 410083）

随着镍矿资源的日趋枯竭，高效开发储量可观的低品位镍矿资源日益受到重视［1］。低品位镍矿以传统技术不能经济处理［2］。一般而言，镍品位低于0.8%的氧化镍矿石和低于1.0%的硫化镍矿石都称为低品位镍矿石［3－4］。对于碱性脉石矿物含量较高的低品位矿石，用传统的火法工艺处理能耗高，成本高。而用常规酸浸工艺又会消耗大量酸，且严重环境污染；并且如果矿石硅含量高，则易生成硅酸盐胶体［5］，造成矿浆液固分离困难。氨浸法［6］除能处理高硅、高碱性脉石矿物的矿石外，还适宜处理含铁、氟、氯、砷、锑等杂质含量高的矿石，具有溶液易循环利用、镍回收率高、环境污染小等优点。

Kyung－Ho Park［7］等利用氧压氨浸法研究了Cu－Ni－Co－Fe硫 化 物 的 共 熔 体 在 （NH4）2SO4／NH3体系中的浸出行为。共熔体中镍的硫化物主要以Ni9S8和Ni3S2形式存在，最优条件下，镍浸出 率 达 85.3%。 巨 少 华［8］采 用 氨－氯 化 铵（MACA）体系处理金川含硫化镍与硅酸镍的低品位镍矿石，镍浸出率为64.10%。本研究以某公司低品位混合镍矿为研究对象，在氨－硫酸铵－水体系中采用氧压氨浸法浸出镍，以期为工业实践提供参考依据。

1 试验部分

1.1 试验原料

试验所用矿石为某公司提供的含高碱性脉石矿物的贫镍矿。主要化学成分及镍的物相见表1、2。主要试剂为氨水（分析纯，湖南株洲石英化玻有限公司），硫酸铵（分析纯，上海国药集团），水为去离子水。

矿石中，硫化镍占52.38%，氧化镍和硅酸镍各占23.81%，矿石属于混合型镍矿。

表1 矿石主要化学成分的质量分数 %

表2 矿石中镍的化学物相

1.2 试验设备与方法

浸出试验在WHF－2T型2L高压釜中进行。浸出剂根据设定的总氨浓度、NH＋4／NH3物质的量比，用（NH4）2SO4、NH3·H2O 和去离子水配制而成，每次配制1L。将100g矿石与1L浸出剂同时加入高压釜中，在一定温度与压力下浸出，浸出结束后，冷却并进行液固分离，分别取浸出液及浸出渣分析其中镍的含量，计算镍浸出率。

1.3 分析与表征

Ni（Ⅱ）质量浓度采用 WFX－100型原子吸收分光光度计测定。矿石的物相组成采用日本理学公司的X射线衍射仪（RIGAKU－TTRⅢ）表征，测试条件为：工作电压40kV，工作电流250mA，Cu／Kα，扫描速度10°／min，步长0.02。样品形貌及表面成分用日本JSM－6360LV型扫描电镜（SEM）及美国EDAX公司的能谱仪（EDS）观察。

2 试验结果与讨论

2.1 氧压对镍浸出率的影响

在总氨浓度9mol／L、浸出温度150℃、c（NH3）∶c（（NH4）2SO4）＝2.5∶1、液固体积质量比10∶1、搅拌速度200r／min、浸出3h条件下，氧分压对矿石中镍浸出率的影响如图1所示。

图1 氧压对镍浸出率的影响

从图1可知：镍浸出率先随氧分压增大而显著增大；当氧分压增加到1.3MPa后，再提高氧分压，镍浸出率变化不大。浸出过程中，溶解的氧分子只有裂解为活性氧原子时才能与硫化物反应，其氧化动力学方程为

反应速率与p（O2）成正比关系［9］，故提高氧分压，反应速率增大，浸出率增大；但随着反应的进行，氧的需要量逐渐减少，氧分压对反应速率的影响也逐渐减弱；当氧分压达到1.3MPa时，镍浸出率达到最高值。

对氧分压为2MPa时的浸出渣（相比原矿，其质量分数仅减少0.8%）进行化学物相分析，结果见表3。可以看出，浸出渣中仅含有微量的硫化镍和氧化镍，而硅酸镍质量分数与原矿中的基本相同，表明硫化镍和氧化镍得到浸出，而硅酸镍在此条件下未被浸出。

表3 氧压为2MPa条件下浸出渣的物相分析结果

硅酸镍氨浸反应方程式为：

从可能生成的6种 （n＝1～6）镍氨络合物Ni［（NH3）n］2＋中选取3种，根据热力学数据［10］计算反应式（1）、（2）的吉布斯自由能，得吉布斯自由能随温度的变化曲线分别如图2、3所示。

图2 反应式（1）的吉布斯自由能随温度的变化曲线

图3 反应式（2）的吉布斯自由能随温度的变化曲线

从图2、3可知：随温度升高，反应吉布斯自由能增大；不同产物在不同温度下的吉布斯自由能均大于0。因此，硅酸镍与氨水的反应从热力学上来讲是不可能发生的。这从理论上证明了硅酸镍在试验体系中不能被浸出，只有硫化镍和氧化镍能被浸出。

2.2 总氨浓度对镍浸出率的影响

在氧分压1.3MPa、浸出温度150℃、NH3与（NH4）2SO4的浓度比为2.5∶1、液固体积质量比10∶1、搅拌速度200r／min、浸出时间3h条件下，总铵浓度对镍浸出率的影响如图4所示。

图4 总氨浓度对镍浸出率的影响

从图4可知，随溶液中总氨浓度增大，镍浸出率增大。在一定范围内对镍浸出速度和浸出率有影响的主要是NH3（aq），而且氨水浓度越大，其离解的数量就越少［9］，故当总铵浓度增大时，NH＋4的添加量增大，致使反应

向左移动，溶液中NH3（aq）的含量增多，从而使浸出率提高；但总铵浓度升高到8mol／L时，镍浸出率提高甚微。考虑到成本和镍浸出率，确定8 mol／L总氨浓度为最佳条件。

2.3 NH3与（NH4）2SO4浓度比对镍浸出率的影响

在氧分压1.3MPa、浸出温度150℃、总氨浓度8mol／L、液固体积质量比10∶1、搅拌速度200 r／min、浸出时间3h条件下，NH3与（NH4）2SO4的浓度比对镍浸出率的影响如图5所示。

图5 NH3与（NH4）2SO4的浓度比对镍浸出率的影响

从图5可知：镍浸出率与浸出剂的pH都随NH3与（NH4）2SO4的浓度比增大而显著增大，最后都趋于稳定。在氧压氨浸过程中，当溶液pH介于6～8之间时，矿石中的镍与氧结合生成一种稳定的镍氧化物，从而导致镍浸出率较低［9］；但随着NH3与（NH4）2SO4的浓度比增大，溶液pH升高，当pH大于8时，产生的镍氧化物迅速溶解并生成稳定的镍氨络合物，使镍浸出率增大。试验条件下，当 NH3与（NH4）2SO4浓度比为1.5∶1时，镍浸出率最高，故确定 NH3与（NH4）2SO4适宜的浓度比为1.5∶1。

2.4 浸出温度对镍浸出率的影响

在氧分压1.3MPa、总铵浓度8mol／L、NH3与（NH4）2SO4的浓度比1.5∶1、液固体积质量比10∶1、搅拌速度200r／min、浸出时间3h条件下，温度对矿石中镍浸出率的影响如图6所示。

图6 温度对镍浸出率的影响

从图6可知，随温度升高，镍浸出率增大。由阿累尼乌斯方程［9］

可知，温度升高，K增大，镍浸出率相应提高。在密闭的反应器中，温度适当提高不受浸出剂沸点和挥发性的控制，使反应得以快速充分进行［10］。当温度上升到120℃时，镍浸出率达69.44%，相当于矿石中的氧化镍与硫化镍基本浸出完全；温度继续升高，镍浸出率增大不明显。故确定浸出温度以120℃为宜。

2.5 浸出时间对镍浸出率的影响

在氧分压1.3MPa、浸出温度120℃、总氨浓度8mol／L、NH3与（NH4）2SO4浓度比为1.5∶1，液固体积质量比10∶1，搅拌速度200r／min条件下，浸出时间对镍浸出率的影响如图7所示。

图7 浸出时间对镍浸出率的影响

由图7可知：随浸出的进行，镍浸出率不断升高；浸出前2h之内，反应剧烈，浸出速度快，镍浸出率达到70%，这时硫化镍和氧化镍已基本浸出完全，而硅酸镍仍保留在渣中。试验确定最佳浸出时间为2h。

3 结论

某公司的含硫化镍（0.11%）、氧化镍（0.05%）和硅酸镍（0.05%）的高碱性脉石低品位混合镍矿在NH3／（NH4）2SO4体系中浸出镍是可行的，最佳反应条件为：氧分压1.3MPa，温度120℃，总氨浓度8mol／L，NH3与（NH4）2SO4浓度比1.5∶1，浸出时间2h。最佳条件下，镍浸出率为70.86%，矿石中以氧化镍和硫化镍形式存在的镍基本浸出完全，而以硅酸盐类存在的镍因热力学原因不能被浸出。氨浸法处理含高碱性脉石矿物的低品位混合镍矿，镍回收率高，浸出液易循环利用，对环境污染小，可进一步研究并推广应用。

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