红土镍矿常压还原浸出试验研究①

罗文波，江爱敏，洪开发，谢 瑶，龙 潇

（贵州理工学院 材料与能源工程学院，贵州 贵阳 550003）

红土镍矿作为镍的主要资源，占镍储量的60.6%［1-2］，红土镍矿镍含量都比较低（＜3%），且含有大量的镁、铁、硅、铝等杂质［3］。目前处理红土镍矿的方法主要有火法和湿法两大类。火法工艺主要生产镍铁和镍硫［4-7］；湿法工艺有氨浸、常压酸浸和加压酸浸［8-9］。这些工艺处理红土镍矿，存在环境污染严重、成本高、试剂消耗大等诸多问题［10］。

镁锌铁氧体材料不含或少含镍、钴、锰等价格昂贵的金属，且生产过程中二价镁离子不变价，其生产工艺简单、生产成本低，产品磁学性能也相对较好，是价格高昂的高频镍锌铁氧体材料及低频锰锌铁氧体材料的替代品，已得到广泛应用［11-12］。本文以过渡型红土镍矿为原料，在常压情况下，以铁粉为还原剂进行还原硫酸浸出，使得红土镍矿中的镍、钴、镁、铁等金属大量浸出，回收镍、钴的同时，以溶液中的铁、镁为原料制备镁锌铁氧体材料，整个工艺高效利用红土镍矿中有价金属，提高红土镍矿的经济价值。

1 试验部分

1.1 试验原料

试验原料为过渡型红土镍矿，来自云南元江，其化学元素分析结果如表1所示，原料矿物组成见表2，镍物相分析结果见表3。

表1 过渡型红土镍矿成分（质量分数） %

表2 过渡型红土镍矿矿物组成（质量分数）%

表3 过渡型红土镍矿镍物相分析结果

原料中有价金属镍、钴含量较低，铁、镁、二氧化硅含量较高。红土镍矿中主要包含蛇纹石、磁铁矿、赤褐铁矿、针铁矿、二氧化硅，还有少量菱铁矿等矿物，镍主要以非结晶态或弱晶态形式存在于硅酸盐中，部分存在于铁矿物中，铁主要以赤褐铁矿和磁铁矿物相存在，要实现镍、铁、镁等有价金属的高效浸出，需要高硫酸浓度、高温、还原等强化条件破坏矿物结构。元江公司的湿法冶炼工艺只提取有价金属镍、钴，其他元素不回收利用，过程产生大量含铁和镁的废渣和废水，造成巨大的环境污染，也造成资源浪费。

1.2 试验设备

主要试验设备包括HH-S2数显恒温水浴锅（常熟市金坛大地自动化仪器厂）、电热恒温鼓风干燥箱、循环水式多用真空泵SHB-ⅢA。

1.3 试验原理

本试验主要研究在硫酸溶液中加入铁屑还原浸出红土镍矿的情况，尽量浸出红土镍矿中的有价金属镍、钴、铁、镁，回收其中的镍、钴金属，溶液中剩余的镁、铁用于制备镁锌铁氧体材料。还原酸浸的主要反应式如下：

1.4 试验方法

每次试验取50 g原料、适量的还原铁粉置于500 mL烧杯中，同时按照一定液固比加入硫酸溶液，将烧杯放入升至指定温度的恒温水浴锅中，开启搅拌并计时，反应结束后进行固液分离，滤液留存，滤渣烘干后送样检测有价金属含量，计算金属浸出率。

2 试验结果与讨论

将红土镍矿球磨至-0.048 mm粒级占80%，考察浸出温度、时间、酸矿比、液固比、还原剂用量等影响对有价金属浸出率的影响。

2.1 酸矿比对有价金属浸出率的影响

采用浓硫酸（98%，化学纯）浸出红土镍矿。浸出温度80℃、浸出时间6 h、液固比10∶1、搅拌速率为400 r／min，考察了酸矿比（硫酸与红土镍矿质量比）对有价金属浸出率的影响，结果如图1所示。

图1 酸矿比对有价金属浸出率的影响

由图1可知，随着酸矿比增加，有价金属镍、钴、铁、镁浸出率不断增加。这是因为硫酸为浸出剂，加入硫酸量越多，有价金属浸出反应速率就越快，反应进行得更彻底，浸出率相应提高。当酸矿比为0.5时，硫酸量不足，没有足够的硫酸与原料反应，有价金属浸出率普遍偏低；当酸矿比增加到1.0时，继续再增加硫酸用量，有价金属浸出率增加速率趋缓，且硫酸用量过多，后期需要耗费大量中和试剂进行中和，增加生产成本。综合考虑，酸矿比取1.0较为合适。

2.2 浸出时间对有价金属浸出率的影响

酸矿比1.0，其他条件不变，浸出时间对有价金属浸出率的影响如图2所示。

图2 浸出时间对有价金属浸出率的影响

由图2可知，随着反应时间增加，有价金属浸出率不断增加。这是因为浸出反应速率较慢，当浸出时间太短时，浸出反应远没有达到平衡。当浸出时间2 h时，有价金属镍、钴、铁、镁浸出率都非常低；当浸出时间增加到6 h时，有价金属铁、镍的浸出率较高；继续增加浸出时间，有价金属浸出率增加趋缓。综合考虑，浸出时间取6 h为宜。

2.3 液固比对有价金属浸出率的影响

浸出时间6 h，其他条件不变，液固比对有价金属浸出率的影响如图3所示。

图3 液固比对有价金属浸出的影响

由图3可知，由于酸矿比不变，液固比降低，则溶液中硫酸浓度增加，有利于有价金属的浸出，可以提高有价金属浸出率。液固比3∶1时，有价金属镍、铁、镁的浸出率不是很高，这是因为液固比过低，随着浸出液中硅、铝量增加，会生成较多胶状物，矿浆黏度增大，使得矿浆难以过滤，滤渣含水量增加，造成大量有价金属损失；液固比5∶1时，矿浆胶状物浓度降低，过滤性变好，有价金属浸出率反而较液固比3∶1时更高；继续增加液固比时，由于溶液中硫酸浓度不断降低，不利于有价金属浸出，有价金属浸出率不断降低。综合考虑，液固比取5∶1为宜。

2.4 浸出温度对有价金属浸出率的影响

液固比5∶1，其他条件不变，浸出温度对有价金属浸出率的影响如图4所示。

图4 浸出温度对有价金属浸出率的影响

由图4可以看出，随着浸出温度不断升高，有价金属浸出率总体上不断增加。温度对反应过程的影响主要体现在动力学方面，升高温度可以提高化学反应速率。常温时红土镍矿的浸出反应速率都较慢，在浸出时间内难以达到化学反应平衡状态。40℃时，红土镍矿浸出反应速率缓慢，有价金属镍、钴、铁、镁浸出率都非常低；温度升高到80℃时，有价金属浸出率已较高，再继续提高温度浸出率增加缓慢，有价金属镍、镁浸出率反而降低。综合考虑，浸出温度取80℃为宜。

2.5 还原剂加入量对有价金属浸出率的影响

浸出温度80℃，其他条件不变，铁粉加入量对有价金属浸出率的影响如图5所示。

图5 铁粉加入量对有价金属浸出率的影响

由图5可知，随着还原剂铁粉加入量增加，有价金属铁、钴浸出率增加较为明显，这是由于铁、钴在红土镍矿中部分以三价氧化物形式存在，还原剂铁粉的加入可以使部分三价钴、铁氧化物浸出到溶液中。镍浸出率增加较为缓慢，说明此红土镍矿中三价镍含量较少，大部分以二价镍氧化物形式存在；铁粉的加入对镁浸出基本无影响。综合考虑，还原剂铁粉加入量为原矿量的20%为宜。

2.6 优化试验

通过单因素试验，得出红土镍矿还原酸浸的优化条件为：浸出时间6 h、温度80℃、酸矿比1.0、液固比5∶1、还原剂铁粉加入量为原矿质量的20%、搅拌速率400 r／min，在此工艺条件下进行了3组平行试验，考察有价金属浸出效果及工艺稳定性，结果如表4所示。

表4 优化条件试验结果

优化工艺条件下，红土镍矿有价金属镍、钴、铁、镁浸出率都比较高，平均浸出率分别为73.25%、68.97%、68.93%、67.45%，利于后续浸出液分别回收镍、钴及共沉淀法制备镁锌铁氧体材料，提高红土镍矿的资源利用率。

对优化工艺条件下红土镍矿浸出渣进行XRD分析，结果如图6所示。浸出渣主要由蛇纹石、高岭石、赤铁矿等物相构成，说明红土镍矿浸出时原矿中的矿物未完全破坏，致使有价金属镍、钴、铁、镁浸出率偏低。

图6 浸出渣XRD图谱

3 结 论

1）云南元江过渡型红土镍矿中有价金属镍、钴、铁、镁含量为1.15%、0.08%、15.40%、18.50%，主要物相为蛇纹石、磁铁矿、赤褐铁矿、针铁矿、二氧化硅、菱铁矿，可以采用高硫酸浓度、高温、还原等强化浸出条件破坏上述矿物结构。

2）过渡型红土镍矿适宜的浸出工艺参数为：浸出时间6 h、温度80℃、酸矿比1.0、液固比5∶1、还原剂铁粉加入量为原矿质量的20%、搅拌速率400 r／min，此时有价金属镍、钴、铁、镁平均浸出率分别为73.25%、68.97%、68.93%、67.45%。