铜冶炼过程中金属镉元素的分布及控制工艺探析

杨 丹

（江西铜业股份有限公司，江西 南昌 330013）

1 引言

在铜冶炼过程中，会分离出许多其它化学元素，包括硒、砷、汞和镉等，其中，金属镉是国民经济的重要原材料，但同时金属镉的不当流出也会对自然环境产生巨大的危害，包括对空气、土壤、水质的影响。因而，了解铜冶炼过程中金属镉的分布状态，有助于总结出金属镉在冶炼过程中提取或者排放的控制工艺，为我国生产制造企业的冶炼过程中进行相关化学元素的分离、提取和有效控制提供具有实践意义的借鉴。

2 铜冶炼的工艺分析

当下，铜冶炼主要有两种方法，分别为火法冶炼和湿法冶炼。前者是通过冶炼锅炉加热的形式进行金属矿物的冶炼，后者则是通过加入可以同金属矿物发生化学作用的化学元素来提取金属矿物质的方式。

2.1 铜火法

火法冶金铜冶炼涉及以黄铜矿为主要原料的焙烧、冶炼、吹炼和精炼等工序［1］。

（1）焙烧。焙烧冶炼过程又包括了半氧化焙烧过程和全氧化焙烧过程。通过这种焙烧冶炼，可以去除原本精矿中的一些硫化物质和其他挥发性杂质，比如砷元素和锑元素。

（2）冶炼。铜火法的冶炼过程是以冰铜冶炼为主要手段，通过利用脉石、溶剂等造渣方法，将铜精矿或者焙烧矿中的部分铁元素进行氧化，从而生产出含铜量较高的冰铜。

（3）吹炼。吹炼工艺的主要目的是为了去除冶炼过程中的烟灰，从而能够较好地对冶炼过程中产生的硫物质进行回收。

（4）精炼。精炼过程主要是为了利用冶炼过程中的一些杂质元素的氧化作用，并且氧化物不溶于铜液的原理，使得冶炼出来的铜精度更高。当前精炼过程又主要有火法精炼和电解精炼两种方式。

2.2 铜湿法

铜湿法也是铜冶炼的一种较为常见的方式，通常主要分为两个步骤分别进行，即浸铜过程和收集过程。

（1）浸铜过程。浸铜过程是铜湿法的第一个步骤，是指将含铜的铁物质放在胆矾溶液中，通过化学反应将铁物质中的铜离子置换出来经过沉积作用形成单质铜。

（2） 收集过程。收集过程是铜湿法的第二个步骤，是指对前一步骤中沉淀的单质铜粉进行收集，然后再经过熔炼和铸造过程，形成铜矿。

铜湿法的铜粉收集工艺手法在当下的炼铜方法中主要有以下三种具体的方法，分别为茅席吸附法、铁片置换法和煎熬法［2］。

（1）茅席吸附法。是指在浸铜步骤中，在胆水槽底部铺上一层茅席，将需要进行铜提取的铁片杂碎放入茅席上浸泡，时间一长，发生化学作用后的单质铜粉就会全部沉积在茅席上，在进行完全的浸泡后将茅席取出，可以直接收集上面的铜粉。

（2）铁片置换法。是指将需要进行铜提取的铁片锻打成薄片，利用胆水浸泡过程中增加铁片化学反应面的原理，使得铁片上的铜物质能和胆水最大面积发生化学反应，从而加速铜粉的沉积过程。

（3）煎熬法。是指直接以需要进行铜提取的铁作为容器，在铁容器中加入胆水，通过铁和胆水的不断直接化合反复作用，一定时间后就会直接形成单质铜沉积，也就是所谓的铜粉生成了。

3 金属镉的来源及其化合物形态

3.1 金属镉的来源

金属镉是非常稀有的有色金属矿物元素，是Ni-Cd充电电池的重要原材料之一，同时也是一种剧毒物质，在当前我国的“三废”排放标准中，金属镉的排放位列第一位［3］。并且金属镉在经过排放以后，由于其具有较强的蓄积性，因而在排出后如果污染了植物土壤等，会很难排出，以致引发慢性中毒。所以了解金属镉在铜冶炼过程中的具体分布状态及其产生的化合物形态，有效回收金属镉并控制其排放标准有着十分重要的现实意义和经济意义，这也是相关领域对铜冶炼过程中金属镉的走向进行分析的最重要原因。

在铜冶炼过程中，金属镉由于物理燃烧会产生不同的化合物形态，主要包括硫镉矿物，这种化合物在铜、锌、铅等矿物的冶炼过程中都会产生［4］。金属镉在进性浮选时主要进入精矿中，而在进行焙烧过程中，则会广泛地存在于烟尘或炉渣中。随着生产制造企业的不断发展，通过冶炼方式提取各种矿物质的需求也日益上涨，这也意味着对金属镉这一类化学物质的排放量也会大幅提升，使得环境中的镉污染程度急速加剧，因而，在科技发展的同时，不断探讨对于这类化学元素在冶炼或者其他回收提取过程中的分布走向，从而掌握正确的回收工艺和排放控制工艺是十分重要的。

3.2 铜冶炼中金属镉的化合物形态

在铜冶炼过程中，常见的金属镉这一类有色金属硫化矿的焙烧烟尘中主要成分分布如表1。湿法炼铜中金属镉的化合物形态见表2。

表1 火法冶炼中各类金属元素分布 %

表2 湿法冶炼中各类金属元素分布 %

4 两种炼铜工艺中金属镉的走向分布

在进行两种方式的铜冶炼过程中，由于所选取的原料铜精矿中都会存在一定含量的金属镉，而在进行火法或者湿法炼铜过程中，都会导致这一部分的金属镉产生挥发或者脱离原来的铜精矿料［5］，在进行排出时都可能会对空气或者土壤及水质环境等造成较大的危害，因而需要对这两种炼铜方式中脱离出来的金属镉的分布状态进行深入分析。

4.1 火法炼铜中金属镉的走向分布

在利用铜火法对粗铜矿进行精炼期间，产生的金属镉元素一部分会以气体形式直接排放到空气中，而另一部分的金属镉元素则会和铜炉中的其他元素发生化学反应并生成新的化合物质，这些化合物又都溶于铜液，因而很难进行完全脱除。见表3。

表3 火法冶炼中金属镉走向分布

从铜火法的精炼铜表中可以发现，火法炼铜过程中，金属镉的排出能力较差，同时还会使得大量的含金属镉有害气体排放到空气中，不仅会对环境造成巨大污染，还会严重影响炼铜的有效性。

4.2 湿法炼铜中金属镉的走向分布

在湿法炼铜中，主要通过将原料铜精矿在可以发生化学反应的液体中进行电解。经过电解液电解工序以后，可以使得铜精矿中原有的部分有害金属元素经过化学反应后生成新的矿物质。而经过杂质脱离后的铜精矿也生成了新的铜物质，如电积铜、黑铜泥、粗制硫酸铜和二次终液，而铜精矿中的金属镉等化学元素也在化学作用下进行了基本脱除。可以说，铜精矿经过电解工艺后基本完成了对矿料中的原有杂质的脱除，生成含铜量极高的纯阴极铜。铜湿法精炼过程中金属镉元素的走向分布情况可以参见表4。

表4 湿法冶炼中金属镉走向分布

从上述湿法炼铜电解工艺中可以发现经过了电解工艺后，铜精矿中的铜矿物质占比已经非常高了，而金属镉元素也几乎发生了完全脱离。通过电解工艺后的金属镉也会发生较大变化，约70%进入黑铜泥，13%进入阳极泥，12%留在残极。

5 在铜冶炼过程中的金属镉控制工艺探析

5.1 铜火法冶炼

在铜冶炼过程中，对铜精矿中的其它金属杂质进行脱离，主要是将冶炼过程中生成的金属杂质以炉渣沉积或者氧化气体排放两种手段进行处理，而通过这两种除杂手段，会使得铜精矿经过冶炼后排出大部分的杂质金属，但是在实际应用过程中，也要注意这两种排放方式会对环境造成的危害［6］。而通过对铜冶炼过程的运行机理进行有效分析和控制，则会大大降低杂质产生的数量，同时通过合理有效的集尘方法和排放标准控制，可以有效降低产生的有害金属物质的对外排出和环境污染，比如采用集尘、金属杂质的渣浓缩和还原过程等。在火法铜冶炼过程中，大部分的金属镉元素脱除后可以得到有效的排放控制，而通过多段阳极精炼的工艺处理，也会使得熔炼过程中产生的金属杂质微量元素产出率下降。

5.2 铜湿法冶炼

由上述可知，铜湿法冶炼是目前铜冶炼过程中较为安全高效的铜提取工艺，通过这种冶炼方式，可以对冶炼过程中的烟尘、金属杂质废渣进行有效综合回收，而电解过程也会使得铜精矿中的金属镉元素实现基本脱离，也方便对脱离后的金属镉元素进行回收处理［7］。当下，利用浸铜法进行金属镉及其它金属杂质的排出是较为常见的手段，而其中对于金属镉的排出工艺更是对金属杂质排出控制的重中之重。现有的铜湿法冶炼过程中的金属镉脱离控制工艺主要是采用石灰中和、硫化物沉浸和盐铁沉淀等三种手段，可以起到对金属镉的有效排出和提取控制。在未来，也需要对铜提取过程中的金属杂质排出工艺进行不断改良，以期实现更有效的金属杂质排放控制。

6 结论

在铜冶炼过程中，有色金属无论是气体排出还是液体排出都会对环境造成巨大的污染，而其中金属镉就是铜冶炼过程中会造成环境污染的重要化学元素之一，如果不对金属镉的排出进行有效控制和处理，在造成环境污染的同时还可能危害到冶炼人员的身体健康，因而需要不断优化铜冶炼过程中对于有色金属的控制排出工艺，实现铜冶炼的绿色环保发展。