铜湿法冶金工艺的应用

2020-12-09付伟岸

世界有色金属 2020年23期

付伟岸

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330000）

近年来，随着经济的逐步发展，对铜产品的需求不断增加。矿产资源减少的程度逐渐增加，由铜矿带来的SO2 环境污染受到社会高度关注，尤其是铜价格的最新变化,人们越来越多的关注到铜湿法冶金技术。

1 国内外铜湿法冶金技术发展概况

1968 年以后，在世界各地规划和建造了大约50 个溶剂浸出和电积厂，到2000 年铜产量为557,500 吨，占精炼铜总量的28%。最大的是亚利桑那州的莫伦奇工厂，目前年产量为258,300 吨。1980 年,智利铜产量15000 吨的，然而,在2000 年,智利已经成为世界上最大的铜生产商,年产量为1347300 吨的铜,占铜矿总数的51%。秘鲁、赞比亚以及澳大利亚等国最近也在湿法铜技术方面取得了重大进展。20 世纪80 年代以后，浸出-提取-电积技术得到了较好的发展，同时应用于生产和加工链[1]。自九零年代以来,随之而来的是铜湿法冶金技术，全面改善我国的冶金技术，在国外市场受了越来越大的影响,铜湿法冶金新技术的研究,促进和加快国家现代化的湿法冶金铜的国家。目前规模较大的项目主要是德兴铜矿渣的细菌浸出-提取-电积(铜含量0.09%)，年铜产量达2000 吨;紫金矿业公司硫化铜矿的细菌浸出电积，年铜产量达1000 吨。尽管国家铜湿法冶金技术近年来取得了长足的进展,还有很大一段的距离相对于其他国家,其中大部分转化为不同浸出和工业化技术的基本理论知识,以及规模相对较小的加工设施已经在建造。

2 铜湿法冶金原理

2.1 氧化铜矿的浸出原理

常见的氧化铜矿物主要为孔雀石、硅孔雀石、赤铜矿、天然铜等。采用化学成分为H2SO4和Fe2(SO4)3的浸出液对其进行浸出，不同的矿物发生的化学反应是不同的，分别如下：

赤铜矿Cu2O+2H+=Cu2++Cu+H2O；

硅孔雀石Cu SiO3.nH2O+H2SO4=CuSO4+SiO2+(n+1)H2O;

孔雀石Cu(OH)2CuCO3+2H2SO4=2CuSO4+CO2+3H2O。

2.2 硫化铜矿的浸出原理

生物浸铜对于硫化铜矿来说是最受欢迎的技术之一，它是冶金物理化学、电化学、微生物学等多种学科融合的产物，具有易操作、低成本、有价资源回收率高，环境友好等特点，近年美国、智利、欧盟等先进的矿业大国都从国家战略角度高度重视该技术的发展[2]。据统计，采用生物浸出技术生产的金属铜比例占据世界总金属铜产量的15%～25%。

学术界将可用于硫化铜矿浸出的细菌称为“化能自养微生物”，这些细菌可以通过氧化硫或者Fe2+等物质获得能源，属于嗜酸类细菌。它们可以按照生产PH 分为中度嗜酸菌（PH 大于3.0，小于5.0）和极端嗜酸菌（PH 大于3.0），也可以按照生长温度分为嗜温菌（温度小于40℃）、中等嗜热菌（温度40～60℃）和极端嗜热菌（温度大于60℃）。

目前，用于生物浸出的微生物主要是氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌，前者属于好氧微生物，可以氧化Fe2+，可用于黄铜矿，辉铜矿、铜蓝、斑铜矿等铜矿的湿法浸出；后者是一种专性自养菌，存在于富硫环境中，它能将元素硫和无机硫化物作为能源物质，可用于浸出辉铜矿和铜蓝。

细菌生物浸出有两个主要机制：

（1）直接作用：细菌吸附到矿物质以溶解矿物，从而在直接交互的表面形成直接作用的机制。目前针对细菌浸出的直接作用机理的研究很多，但由于矿物浸出体系错综复杂，其机理尚无定论。

（2）间接作用：Fe2+随着矿物的溶解而释放，并在溶液中被细菌氧化成Fe3+，在该反应中，Fe3+被用作氧化剂，使之发生间接作用。总体来说，细菌可以对金属硫化物的溶解起到积极的促进作用，但却不会改变硫化矿物的浸出机理，硫化矿物的溶解依然是以Fe3+为主参与的化学反应。

2.3 国内外生物浸出的应用现状

国内关于生物浸出方面的应用已经开展多年了，目前主要的应用案例有：江西德兴铜矿、福建紫金山铜矿等。紫金山铜矿在低品位次生硫化铜矿的处理上，采用了酸性矿坑水喷淋堆浸的工艺路线，利用酸性矿坑水中的浸矿细菌提高硫化铜矿的氧化速率，实现了高效浸出铜矿物，平均铜浸出率＞65%。

国外的生物浸出技术的研究和应用较国内更早，且应用更广泛：Geobiotic LLC 公司开发了用于黄矿铜的浸出的GeocoatTM 技术，澳大利亚GunpowderMammoth 矿山研发了浸出辉铜矿和斑铜矿的工艺技术，智利GerroColorado 矿山发明了辉铜矿和铜蓝的浸出技术。

虽然生物浸出技术在硫化铜矿的分离回收中应用广泛，具有低成本、高浸出率等明显优势，但仍然存在不少的问题需要解决：

（1）菌种的选择对硫化铜矿浸出具有关键的作用，同时菌种的培养也是均有决定性的因素，如何高效采集、筛选和培养高浸出率、短培养周期的生物菌种是重点。

（2）生物浸出技术与化学浸出、浮选技术等方法结合尚不成熟，生物浸出过程的机理研究还未有定论，加强理论研究，有利于进一步提高浸出效率。

3 湿法冶金技术的主要应用

3.1 生物细菌浸出技术

堆浸技术工艺可靠，操作简单，投资省，加上近年来大型自动化机械装备的研发成功，堆浸的湿法炼铜技术的应用越来越广泛。

为了节约堆浸时间，提高生产效率和铜浸出率，大多数的企业都会在堆浸之前对原矿进行预处理，通过预处理，提升溶浸的渗透性，加大反应的动力，从而达到减少浸出时间，提高浸出效率，降低硫酸消耗的目的。

在堆浸技术的基础上，近年来研发了运用生物进行浸出作业的技术，通过这种方式从矿产资源里面获取金属的企业备受人们的关注，且这类企业的产能和所能提炼的金属类别日益增多。

与传统的火法冶金工艺相比较，运用生物堆浸技术能够防止SO2与As 的外排对于环境所导致的污染，所以其又被叫做“清洁工艺”，具有经营成本低，建设投资小的优点，国外有50%的企业选择该技术进行生产。生物浸出技术的技术要点为：控制浸出液的PH 值在1.5～6 之间，最佳反应温度为30 摄氏度，并不断的向浸出液中补充氧气，同时还要通过除油作业严格控制萃取液进入体系。

和硫化铜矿浸出以及其它硫化矿处理相关的细菌涵盖以下几个种类:①在低温(20℃～40℃)环境下运用的主要有:氧化硫杆菌、氧化铁硫杆菌、氧化铁细螺菌等等。②在中温(40℃～55℃)环境下运用的主要有:喜中温型细菌。③较高温度(55℃～85℃)环境下运用的主要有:喜高温型细菌。氧化铁硫杆菌被大量的运用至生物氧化又或是生物浸出环节。伴随技术的逐渐进步，喜高温型细菌与喜中温型细菌均会运用于堆浸与就地浸出的提铜过程之中。

初期生物浸出铜大都运用在较低品位的硫化矿里面回收铜，细菌是自然产生的，最近几年时间内此方式已经被大量运用处理含铜品位超过1%的次生型硫化铜矿，细菌是人工培育的。此技术往往是将矿石破碎至某个具体的粒度(例如6mm)，在滚筒的内部和硫酸相互融合，其次依靠皮带将其运输至堆场，堆高为6m～10m,堆中安装有供于通气的塑料管，在堆中需要加入部分菌种，浸出的时间大约是200 天左右，铜的浸出率能够超过80%。当前，智利与美国等运用SX-EW 法所加工的铜里面有一半以上是采取生物堆浸工艺进行加工的。

3.2 氨浸技术

云南东川汤丹铜矿和北京的矿冶研究总院相互合作，对于较高碱性的脉石氧化铜矿研发出了氨浸一萃取一电积的流程，同时其还是全球范围内唯一一个运用氨浸技术针对铜矿直接进行处理的技术[3,4]。在二十世纪九十年代的初期澳大利亚BHP 公司便研发出了运用氨浸一萃取一电积技术从主要组分是辉铜矿的铜精矿里面回收铜，其被叫做埃斯康的达(Escondida)法,此工艺的技术核心如下:①辉铜矿(Cu2S)里面以一价铜而存在的铜在氨性溶液里面极易发生氧化而融入到溶液之中，其反应极为迅速。②在浓度相对较高的氨性溶液里面，能够运用汉高企业所制造的萃取剂LIX54-100。此萃取剂对于铜有着非常高的容量,在没有经过稀释之后的LIX54-100 对于铜的容量能够超过100g/L,同时负载有机物里面所包含的铜极易被硫酸反萃取。

3.3 电积工艺

从电积工艺发展的角度来看，需要不断降低电能消耗，进一步提高电能效率，以满足持续发展的要求。此外，生产高纯度的铜阴极与增加的电流密度，这反过来减少了工程投资。

在实践中，使用新的高导电性阴极材料可以减少铜的电能消耗。不溶性阳极的使用铅,涂上一层贵金属氧化物,如二氧化铱钛金属基地,实现其属性的导电率高,可以减少15%的电力消耗的生产电铜的生产。同时，由于无铅阳极不含金属铅，阴极中铜铅过量的问题是可以避免的。在实践中，引入不溶性无铅阳极会导致阳极在电积聚过程中不产生阳极泥，因此需要定期清洗电解槽，从而减少人工消耗和操作、维护和人工成本。经济是研究和技术发展的重要方向，提高了技术水平，降低了生产成本。积极寻找其他金属材料，制造更便宜的铜电积阴极材料。