铜阳极泥浸出铜的优化实验研究

章尚发, 王 冲, 王 华， 杨坤彬， 李英伟

(1.昆明理工大学冶金与能源工程学院， 云南 昆明 650093； 2.云南铜业股份有限公司， 云南 昆明 650102)

铜阳极泥浸出铜的优化实验研究

章尚发1, 王 冲2, 王 华1， 杨坤彬2， 李英伟2

(1.昆明理工大学冶金与能源工程学院， 云南 昆明 650093； 2.云南铜业股份有限公司， 云南 昆明 650102)

为了提高铜阳极泥中铜的浸出率和稀贵金属的富集率，在硫酸浸出体系中添加Fe3+离子促进铜的浸出，采用响应曲面法(RSM)设计试验并建立浸出的拟合方程。响应曲面分析结果表明：浸出时间和液固比与铜的浸出率有显著的相关性。得出的最佳浸出条件：浸出时间2.4 h、酸度110 g/L、液固比10∶1，此条件下铜的浸出率为96.52%，碲微量浸出。

铜阳极泥； 铜； 浸出； 响应曲面法

在铜电解精炼过程中，铜阳极板中不溶解的物质沉积在电解槽底部，形成铜阳极泥，其产率一般为铜阳极重量的0.2%～0.8%[1]。铜阳极泥中富含铜、铅、硒、碲、金、银等金属元素，是贵金属回收的重要来源[2-4]，同时它也被认为是含As， Sb, Bi及重金属Cu， Ni，Pb的有害残渣[5]。

处理铜阳极泥回收稀贵金属之前一般要进行预处理除去大部分贱金属，例如：铜、铅、铋等，采用阳极泥预处理工序大大有利于阳极泥的处理，并使金银得到富集[5]。铜元素在铜阳极泥中含量在10%～20%之间不等，是铜阳极泥预处理中最先除去的元素。根据铜冶炼厂的原料来源不同，铜在铜阳极泥中的物相也不尽相同，基本以硫酸铜、氧化亚铜和单质铜等形式存在。目前铜阳极泥预处理脱铜基本采用湿法浸出的方式进行，广泛采用的有硫酸常压浸出、硫酸化焙烧后水浸、硝酸浸出和加压浸出等，常压酸性浸出是一种经济有效的方式，由于铜阳极泥中铜具有不溶于硫酸溶液的物相，需进行氧化后才能达到很高的浸出率，若采用通常的鼓风氧化脱铜则溶液需加热到80 ℃～90 ℃[6]，而现行的预处理除铜工艺在浸出铜的过程中将一些稀贵金属同时溶解进入浸出液中，不利于稀贵金属的富集，同时使得稀贵金属分布分散，回收率降低。

针对目前常温常压空气氧化脱铜流程中铜的浸出率仅70%左右，脱铜渣含铜有时高达5%的问题，通过大量探索试验发现在硫酸溶液中加入2 g/L Fe3+离子作为助浸剂对铜阳极泥进行常温常压浸出，可以达到良好的效果，铜的浸出率可达到90%以上，同时保证碲微量浸出。

前期对Fe3+离子加入量做了相关对比试验，固定酸度100 g/L，液固比5∶1，常温浸出3 h的试验条件，分别考虑 Fe3+离子加入量依次为0.5 g/L、1 g/L、2 g/L和3 g/L的条件试验，试验结果显示4种不同条件下脱铜渣含铜依次为2.15%、1.27%、0.75%和0.72%，因此确定Fe3+离子加入量为2 g/L。

为了优化浸出过程，本文考察了溶液酸度、液固比和浸出时间三个因素对铜浸出的影响，同时采用响应曲面法(RSM)设计试验方案并建立浸出的拟合方程。

1 试验材料、原理和试验方法

1.1 试验材料

本试验中的铜阳极泥来自国内某铜冶炼厂，烘干后其成分(质量分数)如表1所示。

表1 铜阳极泥中元素质量分数 %

1.2 试验原理

铜阳极泥中的部分单质铜和氧化亚铜被空气氧化浸出进入硫酸溶液体系，反应属于气、液、固三相反应，加入Fe3+离子后可将整个反应分为液固反应和气液反应，其中Fe3+离子起到催化氧化的作用。具体试验原理如下反应方程式：

Cu2O+H2SO4=CuSO4+Cu+H2O

(1)

Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+

(2)

4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O

(3)

1.3 试验流程

浸出试验在不同酸度、时间和液固比条件下进行。取100 g烘干的铜阳极泥放入2 000 mL的烧杯中，将搅拌桨插入距离烧杯底约1 cm处固定，开启搅拌时开始计时，常温常压下控制好试验条件至浸出完成，料浆送去真空泵抽滤得浸出渣和浸出液，浸出渣烘干后分析其中铜、碲含量。

1.4 响应曲面法试验设计

在前期大量探索试验的基础上，确定了试验条件的范围，采用Central Composite试验设计方案，以时间、酸度和液固比分别用X1、X2、X3来表示，详细因素取值如表2所示。

表2 Central Composite设计因素和水平表

2 试验结果与讨论

2.1 响应曲面设计试验结果

2.1.1 响应曲面设计试验结果与方差分析

通过试验设计进行试验，计算浸出率得出结果见表3，回归模型方差分析见表4。

表3 Central Composite试验结果

表4 回归模型方差分析表

当“Prob >F”值小于0.05 时，即表示该项指标显著。结果表明，对元素铜的浸出率所建立的二次多项模型具有高度显著性(P<0.01)。试验模型的R2=0.987 9说明该模型拟合程度比较好，失拟项P=0.034 7，试验误差小，可以用此模型对铜阳极泥进行铜元素浸出的分析和预测。

表5 回归方程系数显著性检验

2.1.2 浸出模型的建立

对数据进行回归分析，获得二次多元回归方程：

Y=95.12+1.04X1-0.27X2+2.79X3+

0.90X1X2-1.65X1X3+0.15X2X3-

2.2 响应面分析

通过对回归方程的模型分析，利用Design-Expert.8.0软件对回归方程作出响应曲面图，结果见图1～图3. 结果分析得出：浸出时间和液固比对铜阳极泥中铜的浸出影响最大，随着浸出时间的增加，铜的浸出率也随之增加，当浸出时间达到7 h以上，反应逐步趋向平衡；同时液固比的增大增强了浸出的传质速率，浸出率也相应增大，这说明二者与铜的浸出率呈正相关系；酸度对铜的浸出率影响较小，结果表明浸出过程中酸度不宜过高，酸度太高甚至会在一定程度上降低铜的浸出率。

图1 时间和酸度对铜浸出率影响的响应曲面图

图2 时间和液固比对铜浸出率影响的响应曲面图

图3 酸度和液固比对铜浸出率影响的响应曲面图

2.3 优化后的最优浸出条件

通过软件分析，得到铜阳极泥浸出铜的最佳条件为时间2.39 h，酸度116.58 g/L，液固比9.95∶1。在此条件下，铜阳极泥中元素铜的浸出率理论值可为97.61%。

为检验响应曲面法的可靠性，采用上述最优浸出条件进行铜浸出试验，同时考虑到实际操作的情况，将最佳浸出条件修正为浸出时间为2.4 h、酸度为110 g/L、液固比为10∶1，实际测得的浸出率为96.52%，与理论预测值比较误差为1.12%。同时，在浸出液中检测不到金、银的含量，故视为金、银无浸出。因此，采用响应曲面法优化得到的浸出条件参数准确可靠，具有实用价值。

3 结论

利用Fe3+离子在常压下对铜阳极泥中铜进行催化氧化浸出，对浸出过程采用响应曲面法(RSM)进行优化，取得良好的预处理浸出铜的效果，具有浸出效率高的优点。

最佳浸出条件为浸出时间为2.4 h、酸度为110 g/L、液固比为10∶1，此条件下铜阳极泥中铜的浸出率为96.52%。

Fe3+离子催化氧化浸出铜阳极泥中铜的同时，碲微量浸出，减少了铜阳极泥中稀贵金属的分散，达到了稀贵金属富集的目的，为铜阳极泥的预处理工艺提供了有益参考， 但同时Fe3+离子的加入对于后续铜的回收不利，可考虑采用中和降铁法或针铁矿法除铁工艺。

[1]蒋继穆,孙倬,王协邦,等. 重有色金属冶炼设计手册[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1995.

[2]朱祖泽,贺家齐. 现代铜冶金学[M]. 北京: 科学出版社, 2003.

[3]邱光文,徐远志. 高银铜阳极泥湿法处理流程研究[J]. 有色金属设计, 2000, 27(2): 19-24.

[4]侯慧芬. 从铜阳极泥中综合回收重有色金属和稀、贵金属[J]. 上海有色金属, 2000, 21(2): 88-93.

[5]董爱国, 赵玉福, 王魁珽. 高铅碲铜阳极泥处理工艺的改进[J]. 中国有色冶金, 2008, 37(3): 30-33.

[6]卢宜源,宾万达. 贵金属冶金学[M]. 长沙: 中南大学出版社,2004: 203-229.

Experimentalresearchofoptimizingleachingofcopperfromcopperanodeslime

ZHANG Shang-fa， WANG Chong， WANG Hua， YANG Kun-bin， LI Ying-wei

In order to improve the leaching rate of copper and rare metals enrichment rate in the copper anode slime，add Fe3+ion was added into the sulfuric acid leaching system to promote the leaching of copper, the response surface method (RSM) was used to design experiment and the fitting equation of leaching. The results of the response surface analysis show that the leaching time and solid-liquid ratio have significant correlation with the leaching rate of copper. The best leaching conditions were obtained as follow: the leaching time of 2.4 h, acidity of 110 g/L, the liquid-solid ratio of 10∶1，the leaching rate of copper is 96.52% in this conditions，tellurium is trace leached.

copper anode slime；copper；leaching；response surface method

章尚发(1989—)，男，安徽铜陵人，硕士研究生在读。

TF811

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