从复杂多金属硫化矿中提取铋的浸出动力学研究

陈 锋

(昆明有色冶金设计研究院股份公司, 云南 昆明 650051)

从复杂多金属硫化矿中提取铋的浸出动力学研究

陈 锋

(昆明有色冶金设计研究院股份公司, 云南 昆明 650051)

研究了采用盐酸和氯化铁从低品位复杂多金属硫化矿中提取铋的浸出动力学。分析了反应时间、粒度及盐酸浓度对铋浸出率的影响，依据试验数据计算出浸出反应的表观活化能为31.32 kJ/mol。研究表明，收缩核模型可以描述盐酸浓度超过1 mol/L时的浸出过程，无论在产物层或边界流体膜，浸出率由一个扩散过程(抛物线浸出)控制，得出了相关的动力学方程。

复杂多金属硫化矿； 铋； 浸出动力学； 氯化铁； 收缩核模型

0 引言

采用湿法冶金处理硫化铋精矿日益成为回收铋和伴生稀有金属的重要工艺[1-2]。该工艺具有适宜处理低品位和复杂矿石、高回收率、综合经济性能好等优点。研究在FeCl3存在的条件下，从多金属硫化矿中浸出铋的动力学具有十分积极的意义。

1 试验

1.1 物料

本研究使用的矿物为云南省个旧市卡房矿山产出的浮选辉铋矿精矿，主要化学成分见表1，铋的物相组成见表2。物料经过粉碎和筛分，得到3种粒度范围的样品：0.105 ～0.147 mm、0.074～0.105 mm以及0.053～0.074 mm。

表1 物料主要化学成分 %

表2 物料中铋的物相组成 %

1.2 试验方法

试验在一个浸没于恒温水浴中的500 mL玻璃器皿中进行。反应器配有3个安装孔的盖子，调速搅拌器通过中心安装孔固定在盖子的中心位置，侧面两个孔分别安装一个温度计和一个溶液取样器。在室温下将矿石样品20 g先添加到搅拌的盐酸溶液中，然后加入FeCl3溶液开始浸出作业。在选定的时间间隔，提取5 mL溶液样品，采用原子吸收分光光度计分析铋含量。

试验考察了搅拌速度、粒度、温度、HCl和FeCl3的浓度对浸出的影响。将试验数据导入相关的动力学方程式确定速率常数，通过对速率常数的统计分析获得反应级数和反应参数。

2 结果和讨论

2.1 搅拌速度的影响

在粒度0.053～0.074 mm、25 ℃、1.5 mol/L HCl、1 mol/L FeCl3、2 mol/L NaCl、固液比1∶5的条件下研究搅拌速度的影响。搅拌速度分别为(r /min)：0、200、500、800。结果表明，铋的浸出率在500 r/min时迅速增大，超过这一速度，浸出率几乎为一个常数。因此，在后续的试验中，搅拌速度设定为500 r/min。

2.2 氯化钠浓度的影响

氯化钠浓度对浸出的影响见图1。

粒度0.053～0.074 mm、1.5 mol/L HCl、1 mol/L FeCl3、25 ℃、固液比1∶5图1 氯化钠浓度对铋浸出率的影响

由图1可见，氯化钠浓度在0.5～2.0 mol/L范围内对铋浸出率的影响很大。浓度大于2 mol/L，铋的浸出率变化不大。

2.3 表观活化能

研究了25～50 ℃范围内温度对浸出率的影响，结果见图2。

粒度0.053～0.074 mm、1.5 mol/L HCl、1 mol/L FeCl3、2 mol/L NaCl、固液比1∶5图2 温度对铋浸出率的影响

试验显示，温度对浸出率的影响并不显著，在有FeCl3存在的条件下，铋可在室温下进行提取。

为了获得FeCl3存在时铋溶解的动力学方程和表观活化能，将图2中的试验数据导入固- 液反应的各种动力学模型，发现试验数据和以下的扩散控制动力学方程[3-6]最为匹配：

1-3(1-η)2/3+2(1-η)=kt

(1)

(2)

图3给出了不同温度条件下1-3(1-η)2/3+2(1-η)与浸出时间的关系。

从图3中可以看出，回归分析显示所有线性系数在4个温度情况下与动力学方程式的相关度都大于0.99。此结果表明，1-3(1-η)2/3+2(1-η)和浸出时间的线性关系是显著的。因此认为，在FeCl3存在的情况下，从复杂多金属硫化矿中浸出铋时，其浸出速率由通过产物层的扩散进行控制。

基于阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程确定出表观活化能：

(3)

或

(4)

粒度0.05～0.074、1.5 mol/L HCl、1 mol/L FeCl3、2 mol/L NaCl、固液比1∶5图4 铋浸出的阿伦尼乌斯图

2.4 盐酸浓度的影响

盐酸浓度对铋浸出率的影响见图5。

粒度0.053～0.074 mm、1 mol/L FeCl3、2 mol/L NaCl、25 ℃、固液比1∶5图5 HCl浓度对铋浸出率的影响

从图5可以看出，盐酸浓度增大，浸出率明显提高。为获取高的浸出率，盐酸始酸浓度至少为1.0 mol/L。

为了获得氢离子的反应级数，依照参考文献[7]的活度系数计算出4种盐酸浓度下H+的活度，假定在测试范围内的盐酸完全处于游离状态[8]。速率常数与H+活度的对数函数图见图6。线的斜率或H+的反应级数为0.65。因此，盐酸浓度对物料的浸出速率具有强烈影响。

粒度0.05～0.074、1.5 mol/L HCl、1 mol/L FeCl3、2 mol/L NaCl、固液比1∶5图6 速率常数与H+活度关系

2.5 氯化铁浓度的影响

图7显示了氯化铁浓度对铋溶解速率的影响。按方程式(1)计算出表观速率常数k值，再计算出相对于铁离子的反应级数为0.35，如此低的值进一步表明整个反应速率均由产物层扩散过程控制[9-10]。

粒度0.053～0.074 mm、1.5 mol/L HCl、2 mol/L NaCl、25 ℃、固液比1∶5图7 氯化铁浓度对铋浸出率的影响

2.6 粒度的影响

研究了粒度对浸出的影响，结果见图8。

1.5 mol/L HCl、1.0 mol/L FeCl3、2.0 mol/L NaCl、25 ℃、固液比1∶5图8 粒度与1-3(1-η)2/3+2(1-η)的关系

粒度0.05～0.074 mm，1.5 mol/l HCl、1 mol/L FeCl3、2 mol/L NaCe、固液比1∶5图9 速率常数与平均初始粒度的关系

(5)

式中：η——反应分数；

MA——固体分子量，g/mol；

rd——初始粒度，mm；

T——温度，K；

k——反应速率常数，min-1；

k0——初始反应速率常数，min-1；

A——指前因子；

a——比例系数；

t——反应时间，min；

Ea——浸出反应活化能，kJ/mol；

CB——液体体积浓度或酸度，mol/L；

D——渗透层扩散系数；

R——理想气体常数，8.314 J/(mol·K)；

ρA——固体密度，g/cm3；

[H+]——氢离子浓度或酸度，mol/L；

[Fe3+]——三价铁离子浓度，mol/L。

3 结论

本文研究了FeCl3存在时，采用盐酸从多金属硫化矿中提取铋的浸出动力学。结果表明，盐酸浓度、氯化铁浓度以及矿石粒度是影响浸出的主要因素。

确定了氢离子的反应级数为0.65、三价铁离子的反应级数为0.35。浸出率随着HCl和FeCl3的总量浓度增加而明显增加。搅拌速度低于500 r/min时，对浸出影响明显。速率常数与初始平均粒度的平方倒数成正比关系。温度对浸出的影响不显著，在有FeCl3存在的条件下，铋可在室温下进行提取。浸出过程的动力学模型可确定为[1-3(1-η)2/3-2(1-η)]=kt，计算的表观活化能为31.32 kJ/mol。浸出过程由相关物料的非溶解层通过扩散控制。将各种变量对速率常数的影响研究结果导入收缩核模型方程，得出了氯化铁存在条件下，采用盐酸室温下从低品位复杂多金属硫化矿中浸出铋的动力学方程。

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Leachingkineticsstudyonbismuthextractionfromcomplexpolymetallicsulfideore

CHEN Feng

The leaching kinetics study on bismuth extraction from low-grade complex polymetallic sulfide ore with hydrochloric acid and ferric chloride is carried out. The impact of reaction time, particle size and HCl concentration on the leaching rate is determined. The apparent activation energy is 31.32 kJ/mol as calculated from the test data. The results show that the shrinking core model can describe the leaching process as HCl concentration is over 1.0 mol/L and the leaching rate is controlled by a diffusion process (parabolic leaching) whether in the product layer or boundary fluid film. Relevant leaching kinetics equation is obtained.

complex polymetallic sulfide ore; bismuth; leaching kinetics; ferric chloride; shrinking core model

TF817

A

1672-6103(2017)05-0081-04

陈 锋(1964—)，男，本科，高级工程师，从事有色冶金工厂的设计、咨询、总承包建设工作。

2016-11-21