從銅轉(zhuǎn)爐煙灰中浸出銅、鋅試驗(yàn)研究

侯新剛,張琰,張霞

(1.蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州730050;2.蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730050)

從銅轉(zhuǎn)爐煙灰中浸出銅、鋅試驗(yàn)研究

侯新剛1,2,張琰1,張霞1

(1.蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州730050;2.蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730050)

研究了從銅火法冶煉中的銅轉(zhuǎn)爐煙灰中用硫酸浸出有價(jià)金屬。通過單因素試驗(yàn),確定了最佳浸出工藝條件。試驗(yàn)結(jié)果表明：反應(yīng)時(shí)間和液固體積質(zhì)量比對(duì)銅、鋅浸出率影響較小,而硫酸濃度、反應(yīng)溫度等因素則有較大影響;在攪拌速度300 r/min、反應(yīng)溫度70℃、反應(yīng)時(shí)間1.5 h、液固體積質(zhì)量比7∶1、硫酸濃度1.80 mol/L條件下,鋅、銅浸出率均大于90%。

銅轉(zhuǎn)爐煙灰;硫酸;銅;鋅;浸出;單因素試驗(yàn)

目前,國(guó)內(nèi)用火法冶金技術(shù)提取的銅約占總銅產(chǎn)量的80%,以濕法冶金技術(shù)提取的銅約占總銅產(chǎn)量的20%[1-4]。在火法冶煉系統(tǒng)中,銅锍吹煉過程中,鋅、鉛、鉍等易揮發(fā)元素隨少量銅一起進(jìn)入電收塵系統(tǒng),形成銅轉(zhuǎn)爐煙灰。這部分煙灰隨銅锍一起返回轉(zhuǎn)爐吹煉系統(tǒng)時(shí),會(huì)增加入爐原料的雜質(zhì)含量,也使鋅、鉛、鉍等雜質(zhì)在系統(tǒng)中不斷循環(huán)、積累,堵塞轉(zhuǎn)爐煙道,污染作業(yè)區(qū)空氣,而且產(chǎn)出的粗銅進(jìn)入火法精煉工序后,對(duì)銅陽(yáng)極板的質(zhì)量有嚴(yán)重不良影響。因此,研究從銅轉(zhuǎn)爐煙灰中綜合回收有價(jià)金屬不僅有利于銅冶煉工藝的優(yōu)化,也符合可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策。目前,國(guó)內(nèi)外處理銅轉(zhuǎn)爐煙灰有多種工藝[5-8],但都存在金屬回收率低、操作條件差、對(duì)環(huán)境有污染等問題。本試驗(yàn)研究了用硫酸處理銅轉(zhuǎn)爐煙灰中,以濕法回收其中的銅和鋅,確定了浸出工藝條件。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原理

硫酸浸出銅轉(zhuǎn)爐煙灰的主要反應(yīng)如下：

1.2 試劑及儀器

試驗(yàn)原料：銅轉(zhuǎn)爐煙灰取自北方某銅業(yè)公司,其主要成分和銅鋅物相分析見表1～2。

表1 銅轉(zhuǎn)爐煙灰主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

表2 銅轉(zhuǎn)爐煙灰中銅、鋅物相質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

試劑：濃硫酸(分析純,山東雙雙化工試劑有限公司生產(chǎn));蒸餾水(25℃,自制)。

儀器：HH-S數(shù)顯恒溫水浴鍋;JJ-6數(shù)顯直流恒速攪拌器(江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠提供);500 mL三頸圓底燒瓶;溫度計(jì);布氏漏斗;SHB-B88型真空泵。

1.3 試驗(yàn)方法

浸出試驗(yàn)在500 mL三頸燒瓶中進(jìn)行。將三頸燒瓶置于恒溫水浴鍋中,與電動(dòng)攪拌器相連。按一定液固體積質(zhì)量比加入稀釋后的硫酸溶液,開啟攪拌器并加熱,達(dá)到預(yù)定溫度后,迅速加入銅轉(zhuǎn)爐煙灰。浸出過程中,嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度,攪拌速度控制在300 r/min。浸出后用布氏漏斗和真空泵過濾分離。分析浸出液中銅、鋅質(zhì)量濃度,用下列公式計(jì)算浸出率：

其中：r為元素浸出率,%;ρ為浸出液中元素的質(zhì)量濃度,g/L;V為浸出液體積,L;m為銅轉(zhuǎn)爐煙灰質(zhì)量,g;w為銅轉(zhuǎn)爐煙灰中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。

1.4 分析方法

銅離子質(zhì)量濃度采用碘量法滴定測(cè)定;鋅離子質(zhì)量濃度采用EDTA滴定法測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硫酸濃度對(duì)銅、鋅浸出率的影響

試驗(yàn)條件：溫度70℃,攪拌速度300 r/min,浸出時(shí)間1.5 h,液固體積質(zhì)量比7∶1。硫酸濃度對(duì)銅、鋅浸出率的影響如圖1所示。

圖1 初始硫酸濃度對(duì)銅、鋅浸出率的影響

從圖1看出,硫酸濃度對(duì)銅、鋅浸出率影響較大：隨硫酸質(zhì)量濃度增大,銅、鋅浸出率增大明顯;硫酸濃度增大到1.80 mol/L后,銅、鋅浸出率變化不明顯。這是因?yàn)槌跏妓岫仍酱?H+濃度越高,H+與煙灰顆粒表面接觸發(fā)生反應(yīng)幾率越大,也就越有利于銅、鋅浸出;隨反應(yīng)的進(jìn)行,H+不斷消耗,浸出液p H值增大,鋅、鎘等離子發(fā)生水解沉淀,使浸出反應(yīng)難以繼續(xù)進(jìn)行。因此,浸出過程中,須加入過量稀硫酸阻止鋅、鎘離子的水解沉淀;硫酸濃度較大時(shí),轉(zhuǎn)爐煙灰中的銅、鋅等元素有可能被難溶反應(yīng)產(chǎn)物PbSO4包覆而無(wú)法與酸接觸,影響銅、鋅的浸出。綜合考慮,初始硫酸濃度以1.80 mol/L為宜。

2.2 溫度對(duì)銅、鋅浸出率的影響

試驗(yàn)條件：硫酸濃度1.80 mol/L,攪拌速度300 r/min,浸出時(shí)間1.5 h,液固體積質(zhì)量比7∶1。溫度對(duì)銅、鋅浸出率的影響如圖2所示。

圖2 浸出溫度對(duì)銅、鋅浸出率的影響

從圖2看出：升高溫度有利于銅、鋅浸出;70℃時(shí),銅、鋅浸出率均超過90%;但溫度超過70℃后,銅、鋅浸出率變化不大,且水分揮發(fā)加劇。溫度升高,銅轉(zhuǎn)爐煙灰中酸溶物質(zhì)在溶液中的溶解度增大,表面擴(kuò)散層厚度相應(yīng)減薄,硫酸容易通過擴(kuò)散層達(dá)到銅轉(zhuǎn)爐煙灰表面與金屬化合物發(fā)生反應(yīng),同時(shí)也有利于反應(yīng)產(chǎn)物通過擴(kuò)散層離開其表面,從而使浸出速率加快,銅、鋅浸出率提高。隨溫度升高,煙灰表面擴(kuò)散層厚度趨于一個(gè)最小值,銅、鋅浸出率趨于穩(wěn)定。綜合考慮,溫度以70℃為最佳。

2.3 浸出時(shí)間對(duì)銅、鋅浸出率的影響

試驗(yàn)條件：硫酸濃度1.80 mol/L,攪拌速度300 r/min,溫度70℃,液固體積質(zhì)量比7∶1。浸出時(shí)間對(duì)銅、鋅浸出率的影響如圖3所示。

圖3 浸出時(shí)間對(duì)銅、鋅浸出率的影響

可以看出：隨浸出時(shí)間延長(zhǎng),銅、鋅浸出率變化不大;反應(yīng)進(jìn)行1.5 h后,銅、鋅浸出率均達(dá)90%以上;浸出時(shí)間超過1.5 h后,銅、鋅浸出率基本不再變化。這是由于反應(yīng)前期,溶液中H+濃度較高,反應(yīng)速度較快,銅、鋅浸出很快達(dá)到平衡。因此,浸出時(shí)間以1.5 h為最佳。

2.4 液固體積質(zhì)量比對(duì)銅、鋅浸出率的影響

試驗(yàn)條件：硫酸濃度1.80 mol/L,攪拌速度300 r/min,浸出時(shí)間1.5 h,浸出溫度70℃。液固體積質(zhì)量比對(duì)銅、鋅浸出率的影響如圖4所示。

圖4 液固體積質(zhì)量比對(duì)銅、鋅浸出率的影響

由圖4看出：液固體積質(zhì)量比在7∶1以下,隨液固體積質(zhì)量比的增大,銅、鋅浸出率有所增大。這是因?yàn)橐汗腆w積質(zhì)量比較低時(shí),液固多相反應(yīng)進(jìn)行不充分,反應(yīng)產(chǎn)物易呈漿狀;液固體積質(zhì)量比提高,反應(yīng)物中H+絕對(duì)數(shù)量加大,液固多相反應(yīng)更充分,有利于銅、鋅的浸出。液固體積質(zhì)量比大于7∶1后,銅、鋅浸出率變化不大,說明此時(shí)浸出反應(yīng)(1)～(6)已比較完全,繼續(xù)提高液固體積質(zhì)量比無(wú)益于銅、鋅的浸出,且從工業(yè)生產(chǎn)的角度考慮,也會(huì)增加原始設(shè)備的投資。綜合考慮,確定最佳液固體積質(zhì)量比為7∶1。

2.5 綜合試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：硫酸濃度1.80 mol/L,攪拌速度300 r/min,浸出時(shí)間1.5 h,浸出溫度70℃,液固體積質(zhì)量比7∶1。試驗(yàn)結(jié)果表明：在最優(yōu)條件下,銅浸出率達(dá)91.3%,鋅浸出率達(dá)96.7%。浸出渣的能譜分析結(jié)果表明,渣中大量存在的是硫酸鉛、石英及硅酸鐵,表明酸浸出后有價(jià)金屬幾乎全被浸出,而鐵、鉛進(jìn)入渣中。

3 結(jié)論

用硫酸作浸出劑處理銅轉(zhuǎn)爐煙灰,可將其中的銅、鋅完全浸出,實(shí)現(xiàn)同轉(zhuǎn)爐煙灰的綜合利用。在硫酸濃度1.80 mol/L、攪拌速度300 r/min、浸出時(shí)間1.5 h、浸出溫度70℃、液固體積質(zhì)量比7∶1最優(yōu)條件下,銅浸出率為91.3%,鋅浸出率為96.7%。

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Abstract:The leaching of copper and zinc from copper converter dust with sulfuric acid was investigated by single-factor experiments.The results indicated that on leaching of copper and zinc,sulfuric acid concentration and reaction temperatures had obvious effect,while reaction time and ratio of liquid to solid showed a negligible effect.Leaching of copper and zinc was more than 90%at the conditations of sulfuric acid concentration of 1.80 mol/L and 70℃for 1.5 hour,the liquid/solid ratio of 7∶1 and stirring speed of 300 r/min.

Key words:copper converter dust;sulfuric acid;copper;zinc;leaching;single-factor experiment

Leaching of Copper and Zinc From Copper Converter Dust With Sulfuric Acid

HOU Xin-gang1,2,ZHANG Yan1,ZHAN G Xia1
(1.School of Materials Science and Engineering,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou,Gansu 730050,China;2.State Key Laboratory of Gansu A dvanced Non-f errous Metal Materials,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou,Gansu730050,China)

X756;TF803.21

A

1009-2617(2011)01-0057-03

2010-07-15

侯新剛(1958-),男,陜西楊陵人,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)橐苯鸲钨Y源的綜合利用。