从废旧金刚石刀头中酸浸分离有价金属热力学分析及试验研究

薛 平,李光强,秦庆伟,魏明星

(1.武汉科技大学 耐火材料与冶金国家重点实验室,湖北 武汉 430081;2.江汉大学 机电与建筑工程学院,湖北 武汉 430056)

从废旧金刚石刀头中酸浸分离有价金属热力学分析及试验研究

薛 平1,2,李光强1,秦庆伟1,魏明星2

(1.武汉科技大学 耐火材料与冶金国家重点实验室,湖北 武汉 430081;2.江汉大学 机电与建筑工程学院,湖北 武汉 430056)

根据相关热力学数据,绘制了金刚石刀头中主要金属Cu、Zn、Fe的E-pH图，研究了采用稀硫酸从废金刚石刀头中浸出Cu、Zn、Fe，考察了硫酸浓度、浸出时间、反应温度、搅拌速度及液固体积质量比对Cu、Zn、Fe浸出率的影响。结果表明，采用3.0 mol/L的稀硫酸，在75 ℃、搅拌速度100 r/min、液固体积质量比30∶1条件下浸出2 h，Zn、Fe浸出效果较好，Cu基本不浸出。

废旧金刚石刀头；硫酸；Cu；Zn；Fe；浸出

金刚石刀头以人造金刚石为切割材料,碳化钨为刀具胎体材料,金属Cu粉、Zn粉、Fe粉为黏合剂，经高温烧结压制而成,具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数和高热导低热膨胀系数等优点[1]。用金刚石刀头切割过程中,会产生一定量的刀头废料。国内某厂废旧金刚石刀头经分析含Fe、Cu、Zn，质量分数分别为78%,10%和2%,具有极高的回收价值。

从金刚石刀头中回收有价金属一般先将其转化为可溶性的盐溶液,然后进一步回收[2-10]。根据相关热力学数据，计算并绘制体系Fe、Cu、Zn的E-pH图,然后根据该图考察用硫酸浸出金属效果。

1 热力学分析

E-pH图可以把抽象的热力学平衡关系用图解方式表达出来[11]。用硫酸浸出废旧金刚石刀头过程中,设定温度为25 ℃，金属离子活度为1,氢气与氧气各为0.1 kPa[12-14],体系可能存在的相关化学反应及平衡方程见表1。根据表1数据绘制的Cu-H2O、Fe-H2O和Zn-H2O体系的E-pH图分别如图1～3所示。

表1 体系可能存在的化学反应及平衡方程

图1 Cu-H2O系E-pH关系

图2 Fe-H2O系E-pH关系

图3 Zn-H2O系E-pH关系

所以,用一定浓度硫酸溶液浸出废弃金刚石刀头,Fe、Zn进入溶液,再通过控制溶液pH、选择沉淀法或萃取法可以分离Fe与Zn；Cu不被浸出而进入渣中,可以通过添加氧化剂使之从渣中浸出并与碳化钨及金刚石颗粒分离。

2 试验部分

2.1 试验原料与设备

废旧金刚石刀头中主要金属质量分数检测结果见表1,XRD分析结果如图4所示。可以看出：Cu、Zn、Fe质量分数接近90%，以单质或合金形式存在。

表1 废旧金刚石刀头中主要金属质量分数 %

图4 废旧金刚石刀头样品的XRD图谱

其他试剂均为分析纯，市售产品。

主要设备：电子恒温磁力搅拌水浴锅,JJ5179HW-1型，江苏省金坛市医疗仪器厂;电子天平,Quintix-1cn型，德国赛多利斯集团;pHS-3C精密pH计，上海雷磁仪器厂；ICP分析仪,ICP-2000型，江苏天瑞仪器厂。

2.2 试验方法

配制一定浓度硫酸溶液，与一定量废旧金刚石刀头破碎样品混合后加入到三孔平底烧瓶中,烧瓶中插入搅拌桨、pH计,另一孔用于取样。在浸出一定时间后,从反应器中取1 mL浸出液,适当稀释后用ICP检测其中Cu、Zn、Fe质量浓度。取样后立即补充1 mL新鲜硫酸溶液。反应温度和搅拌速度由恒温磁力搅拌水浴控制。

3 试验结果与讨论

3.1 硫酸浓度对Cu、Zn、Fe浸出率的影响

样品质量5 g,温度65 ℃,浸出时间3 h,液固体积质量比40∶1,搅拌速度200 r/min,硫酸浓度对Cu、Zn、Fe浸出率的影响试验结果如图5所示。

图5 硫酸浓度对Cu、Zn、Fe浸出率的影响

由图5看出：Cu几乎不被浸出；Fe浸出率随硫酸浓度增大而提高,硫酸浓度在1.5～2.5 mol/L范围内，铁浸出率保持稳定,然后随硫酸浓度增大而提高；Zn浸出率保持在80%左右,受硫酸浓度影响较小。这是因为：Cu的电位在水的析氢电位以上,它在非氧化性酸性体系中不与H+反应；而Fe与Zn的电位在水的析氢电位以下,在低酸度条件下极易与H+发生反应生成金属离子并放出氢气。硫酸浓度过大,对设备腐蚀加重,并且金属浸出率并没有显著提高,因此，试验选取适宜的硫酸浓度为3 mol/L。

3.2 浸出时间对Cu、Zn、Fe浸出率的影响

样品质量5 g,温度65 ℃,硫酸浓度3.0 mol/L,液固体积质量比为40∶1,搅拌速度200 r/min,浸出时间对Cu、Zn、Fe浸出率的影响试验结果如图6所示。

图6 浸出时间对Cu、Zn、Fe浸出率的影响

由图6看出：Cu不被浸出；Fe浸出率随浸出时间延长而提高,浸出2 h时,铁浸出率趋于稳定,此时反应达到动态平衡,继续延长浸出时间,铁浸出率提高幅度不大；Zn浸出率随浸出时间延长略有提高。综合考虑，试验确定浸出时间以2 h为宜。

3.3 浸出温度对Cu、Zn、Fe浸出率的影响

样品质量5 g,浸出时间2 h,硫酸浓度3.0 mol/L,液固体积质量比40∶1,搅拌速度200 r/min,浸出温度对Cu、Zn、Fe浸出率的影响试验结果如图7所示。

图7 浸出温度对Cu、Zn、Fe浸出率的影响

由图7看出：Cu不被浸出；Zn浸出率随反应温度变化很小；Fe浸出率随反应温度升高而提高,温度为75 ℃时，Fe浸出率达最大,之后随升温继续升高而下降。这是因为：温度较低时,升温有利于扩散和传质；而当温度过高,较高浓度的硫酸会随水蒸汽挥发，进而使浸出率下降。综合考虑，试验确定适宜的反应温度为75 ℃。

3.4 搅拌速度对Cu、Zn、Fe浸出率的影响

样品质量5 g,浸出时间2 h,硫酸浓度3.0 mol/L,反应温度75 ℃,液固体积质量比40∶1,搅拌速度对Cu、Zn、Fe浸出率的影响试验结果如图8所示。

图8 搅拌速度对Cu、Zn、Fe浸出率的影响

由图8看出：Cu几乎不被浸出，而Fe保持较高浸出率；Zn浸出率随搅拌速度提高先小幅增大,在100 r/min时达最大,然后缓慢减小，整体上变化不大。综合考虑，试验确定适宜的搅拌速度为100 r/min。

3.5 液固体积质量比对Cu、Zn、Fe浸出率的影响

样品质量5 g,浸出时间2 h,硫酸浓度3.0 mol/L,反应温度75 ℃,搅拌速度100 r/min,液固体积质量比对Cu、Zn、Fe浸出率的影响试验结果如图9所示。

图9 液固体积质量比对Cu、Zn、Fe浸出率的影响

由图9看出：Cu几乎不被浸出；Zn、Fe浸出率随液固体积质量比增大有小幅波动,但都维持在较高水平，液固体积质量比为30∶1时，铁浸出率最大。综合考虑，试验确定液固体积质量比以30∶1为宜。

5 结论

通过热力学分析,从理论上证明用一定浓度的硫酸从废旧金刚石刀头中浸出部分有价金属是可行的。用硫酸浸出时，铜几乎不被浸出而留在渣中，锌与铁保持较高的浸出率。

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Thermodynamic Analysis and Experimental Research on Acid Leaching of Valuable Metals From Waste Diamond Cutters

XUE Ping1,2，LI Guangqiang1，QIN Qingwei1，Wei Mingxing2

(1.KeyLaboratoryforFerrousMetallurgy&ResourcesUtilization，MinistryofEducation，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China;2.SchoolofElectromechanicalandArchitecturalEngineering,JianghanUniversity，Wuhan430056，China)

TheE-pH diagrams for the copper，zinc and iron in waste diamond cutters were drawn according to relevant thermodynamic data.The preliminary separation of three main metals can be achieved based on the thermodynamic analysis.The leaching of copper，zinc and iron were carried out.The influences of sulfuric acid concentration，leaching time，reaction temperature，stirring speed and liquid-to-solid ratio on leaching of copper，zinc and iron were examined.The results show that the using sulfuric acid solution of 3.0 mol/L as leaching agent，under the conditions of leaching time of 2 h，reaction temperature of 75 ℃，stirring speed of 100 r/min，liquid-to-solid ratio of 30∶1,zinc and iron can be leached effectively，and copper isn’t leached.

waste diamond cutters;sulfuric acid;copper;zinc;iron;leaching

2016-04-30

武汉市科技局项目( 2013071004010468)。

薛平(1982-)，男，湖北荆州人,博士研究生，讲师，主要研究方向为有色冶金资源循环。E-mail:xuep@jhun.edu.cn。

TF803.21

A

1009-2617(2017)01-0019-05

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.01.005