炼铜烟灰加压浸出试验研究①
2020-09-14陈荣升谌宏海王细军李亚杰廖诗佳
陈荣升, 谌宏海, 王细军, 李亚杰, 廖诗佳, 李 杰
(湖北大江环保科技股份有限公司,湖北 黄石435005)
铜是一种玫瑰红色重金属,广泛用于电气、国防等各个领域[1-2],目前绝大部分金属铜是通过火法工艺产出的[3-5]。 火法炼铜底吹炉造锍熔炼是将含铜物料与溶剂一起加入底吹炉内,通入富氧空气使物料在高温下熔化,发生一系列物理化学反应后得到冰铜和炉渣[6-8],铜精矿中伴生的Pb、Zn 等易挥发组分进入烟气中[9]。 因底吹炉特殊的结构,铜烟灰中元素种类多且含有较多的金属硫化物,增加了烟灰的处理难度。 目前国内外对底吹炉烟灰的研究较少,处理时存在工艺流程长、回收率低、有害物质难于开路等难题[10-12]。 本文针对底吹炉炼铜烟灰的组成特性,采用加压浸出法,实现铜、锌两种金属元素的提取,主要研究了温度、压力、始酸浓度、浸出时间对铜、锌浸出效果的影响,为后续分离提取提供参考。
1 试 验
1.1 试验原料
试验所用原料来自我国某铜冶炼企业底吹炉熔炼过程产生的铜烟灰,样品经干燥、缩分、混匀后取样,粉磨和筛分处理,保证物料粒度小于0.074 mm。 铜烟灰粒度较细,在2 ~4 μm、10 ~20 μm 和60 ~70 μm 粒级呈现相对部分集中分布,平均粒度为3.86 μm,比表面积为979.3 m2/kg,有利于湿法浸出过程。
铜烟灰样品的主要化学元素组成见表1,其X 射线衍射图见图1。
表1 铜烟灰主要化学元素组成(质量分数)/%
图1 铜烟灰XRD 图谱
为进一步查明铜烟灰中铜、铅、铁和砷的赋存状态,进行了物相定量分析,结果见表2。
表2 铜烟灰中Pb、Cu、As、Fe 的物相分布
1.2 反应原理
根据铜烟灰中铜、铅、砷和铁等金属的含量及物相分析结果,拟采用氧压浸出法将铜、锌与砷、铁、铅分离。 反应可分为3 个阶段:第一阶段为易溶于酸的氧化锌、氧化铜、氧化铁和氧化铅等物质与硫酸反应;第二阶段为金属硫化物在有氧条件下溶出,以及低价态砷、铁被氧化为高价,此时烟灰中大部分铜、砷、铁、锌以可溶性硫酸盐形式进入溶液中;第三阶段为溶液中砷、铁反应生成砷酸铁沉淀,与锌、铜分离[13]。 由于铜烟灰原料中砷与铁的比例相当,砷与铁基本沉淀,故本文只讨论温度、压力、始酸浓度、浸出时间对铜、锌浸出率的影响。
1.3 试验方法
称取一定量的铜烟灰,按照一定的温度、压力、始酸浓度及浸出时间在反应釜(威海宏协化工机械有限公司CJK-2L 磁力反应釜,内衬锆材)中进行反应,待反应结束后,过滤、洗涤,滤渣干燥后进行化学分析检测,微量元素成分采用ICP-MS (Agilent 7500)检测,铜、锌浸出率根据渣的成分数据进行计算。
采用日本岛津公司DIFFRACTO METER-6000 型X 射线衍射仪(XRD)进行矿物组成分析;采用百特BT-9300S 型激光粒度仪进行粒度分析。
2 结果与分析讨论
2.1 温度的影响
压力1.1 MPa、始酸浓度100 g/L、浸出时间1 h 条件下,不同温度对铜、锌浸出率的影响见图2。 从图2可看出,当温度从120 ℃增大到160 ℃时,铜、锌浸出率逐步提高。 这是因为随着温度不断升高,烟灰中可溶物质在溶液中的溶解度增大,从而使浸出速度加快;同时,升高温度可以降低浸出液黏度,有利于物质扩散,从而促进浸出反应。 但当温度增大到180 ℃时,铜、锌浸出率出现略微下降的趋势。 因此选择温度为160 ℃。
图2 温度对铜烟灰浸出的影响
2.2 压力的影响
温度160 ℃,其他条件不变,不同压力下铜、锌浸出率如图3 所示。 从图3 可知,压力从0.8 MPa 提高到1.2 MPa 时,铜浸出率有了明显提高,继续增大压力时,铜浸出率上升缓慢;锌浸出率变化趋势与铜非常类似。 故选取压力为1.2 MPa。
图3 压力对铜烟灰浸出的影响
2.3 始酸浓度的影响
始酸浓度对保证生产中的处理能力至关重要。 压力1.2 MPa,其他条件不变,不同始酸浓度时铜、锌浸出率如图4 所示。 由图4 可知,当始酸浓度从90 g/L增大到130 g/L 时,铜、锌浸出率均明显提高;进一步增大始酸浓度时,铜、锌浸出率变化平缓。 这说明始酸浓度达到130 g/L 时,铜烟灰与酸的接触反应已经比较充分。 因此确定始酸浓度为130 g/L。
图4 始酸浓度对铜烟灰浸出的影响
2.4 浸出时间的影响
始酸浓度130 g/L,其他条件不变,浸出时间对铜、锌浸出率的影响如图5 所示。 从图5 可看出,当浸出时间从1 h 延长至3 h 时,铜、锌浸出率逐渐上升,继续延长浸出时间至4 h 时,铜、锌浸出率基本保持不变,因此浸出时间选择为3 h。
图5 浸出时间对浸出的影响
2.5 综合试验及浸出渣元素分析
根据单因素实验,在温度160 ℃、压力1.2 MPa、始酸浓度130 g/L、浸出时间3 h 条件下,进行了铜烟灰加压浸出综合试验,铜、锌浸出率分别达到98.9%和97.8%。
对浸出渣进行了化学元素分析,结果如表3 所示。浸出渣中Cu、Zn 含量皆为微量,Pb、Fe、As 含量较高,可以作为铅火法冶炼原料。
表3 浸出渣主要化学元素组成(质量分数)/%
浸出液可通过除铜-除铁-除锰-除镉等净化工序得到纯净的硫酸锌溶液,再通过蒸发结晶制成一水硫酸锌或七水硫酸锌产品。
3 结 论
1) 采用氧压浸出法处理铜冶炼底吹炉造锍熔炼过程中产生的铜烟灰,可有效浸出铜、锌,实现铜烟灰中有价资源的回收。
2) 加压浸出的最佳条件为:温度160 ℃、压力1.2 MPa、始酸浓度130 g/L、浸出时间3 h,该条件下铜、锌浸出率可达到98.9%和97.8%,浸出效果好。