難處理含金硫精礦的焙燒氧化?硫代硫酸鹽浸出

李 峰 ，丁德馨 ，胡 南，彭志成 ，陳 偉

(1. 南華大學(xué) 鈾礦冶生物技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，衡陽 421001；2. 南華大學(xué) 核資源工程學(xué)院，衡陽 421001)

金作為重要的國際儲備資產(chǎn)，同時也是特殊的戰(zhàn)略資源，具有極優(yōu)的穩(wěn)定性與良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在工業(yè)和現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1?4]。我國金礦資源豐富，但在已探明的金礦資源中，近 1/4的屬于難浸金礦。隨著易浸金礦的日益減少，人們越來越關(guān)注難浸金礦的研究[5?8]。難浸金礦中金的浸出率低是因其被其他成分包裹，使其不能與浸出劑接觸反應(yīng)。為了提高金的浸出率，需對礦石進行預(yù)處理，使包裹金充分暴露。目前，國內(nèi)外預(yù)處理難浸金礦石的主要方法是氧化焙燒法、加壓氧化法、細菌氧化法與化學(xué)氧化法[9?11]。

氰化法是最常用的浸金方法，但因氰化物本身有劇毒，浸出后的排放物也會造成污染，許多國家和地區(qū)已禁止氰化物浸金，同時氰化浸出復(fù)雜含金礦石的效果也不理想[7]。陽建國等[12]用焙燒?氰化工藝浸出某低品位含金硫精礦，焙砂金的浸出率為76.25%，雖然浸出率較高，但環(huán)境污染問題仍阻礙其發(fā)展。王勇[13]用 2 mol/L 的 NaOH預(yù)浸氧化焙燒后的含金砷硫精礦，有效去除了礦石中不利于浸出的雜質(zhì)，使金的浸出率從直接氰化浸出的 57.68%提高到 76.64%，但預(yù)浸工作的投資成本高，不利于實際應(yīng)用。所以，尋找更環(huán)保和抗干擾能力更強的浸出劑來取代氰化物是該領(lǐng)域研究的重點。硫代硫酸鹽法浸金是一種無毒且更適合浸出復(fù)雜含金礦石的浸金方法[14?17]。硫代硫酸鹽在溶液中能與金生成穩(wěn)定的絡(luò)合物，且與氰化法相比，硫代硫酸鹽浸金更加經(jīng)濟和環(huán)保，在難處理金礦石浸出中對金的浸出選擇性更強[18?19]。

本文作者以湖南某難處理含金硫精礦(含砷)為研究對象，對其進行焙燒氧化預(yù)處理和硫代硫酸鹽溶液浸出。采用掃描電鏡和能譜儀等檢測手段對焙燒產(chǎn)物進行分析，為焙燒氧化預(yù)處理難浸含金硫精礦及硫代硫酸鹽浸金工業(yè)化提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 礦樣

實驗礦樣取自湖南某礦的難處理含金硫精礦，其粒徑分布為粒徑小于0.074 mm的占70%，其主要化學(xué)成分如表1所列，XRD譜如圖1所示。

由表1可知，原礦金品位為6.7 g/t ，并含有大量硫和鐵，存在少量砷，其含量分別為43.08%、40.16%和1.02%。由圖1可知，原礦中金屬礦物主要為黃鐵礦(FeS2)，其他礦物的衍射強度(如砷黃鐵礦等)很弱，相對應(yīng)的含量低。脈石礦物主要為石英。此類礦石中的金易包裹于黃鐵礦和砷黃鐵礦中，為難處理含金硫精礦[8]。

表1 含金硫精礦的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition in gold-bearing sulfur concentrates (mass fraction, %)

圖1 含金硫精礦的XRD譜Fig. 1 XRD pattern of gold-bearing sulfur concentrates

1.2 實驗步驟及工藝流程

采用錐堆四分法將原礦混合均勻并縮分，作為實驗所用礦樣。

1.2.1 氧化焙燒實驗

取31 mg礦樣置于同步熱分析儀中，條件如下：起始溫度 30 ℃，終點溫度 1600 ℃，升溫速率 10℃/min，空氣氣氛，空氣流量20 L/min。經(jīng)過分析得出焙燒氧化的最佳溫度。

將馬弗爐的焙燒溫度設(shè)定為最佳焙燒溫度，然后將5個分別盛有10 g礦樣的石英舟置于馬弗爐中，每隔0.5 h取出一個，待其冷卻，計算焙燒后礦石中硫元素含量，與原礦中硫元素含量相比較，得出硫的去除率。焙燒過程中產(chǎn)生的尾氣，用質(zhì)量分數(shù)為 40% 的NaOH溶液吸收。

1.2.2 硫代硫酸鹽浸出實驗

取一定量的焙燒后的礦樣加入硫代硫酸鹽溶液中，將盛放礦樣和硫代硫酸鹽溶液的錐形瓶用橡皮塞塞緊后固定于恒溫高速振蕩器，振蕩一定時間后過濾、干燥，測量濾渣中金的品位。采用單一變量法，確定硫去除率、浸出時間、液固比、恒溫高速振蕩器振蕩速度和浸出溫度等最佳工藝參數(shù)。

1.2.3 工藝流程

硫代硫酸鹽溶液浸出難處理含金硫精礦的工藝流程如圖2所示。

1.3 分析方法

用王水將干燥后的濾渣溶解，采用泡塑吸附法吸附溶解后的金；用原子吸收分光光度計測量溶液中金的含量[20]；用掃面電鏡和能譜儀分析焙燒前后礦樣表面形態(tài)的變化及礦樣中主要元素的變化。

圖2 硫代硫酸鹽溶液浸出難處理含金硫精礦工藝流程Fig. 2 Flow sheet for thiosulfate leaching of gold from refractory gold-bearing sulfur concentrates

2 結(jié)果與討論

2.1 難處理含金硫精礦的焙燒氧化預(yù)處理

因金親硫，硫精礦中的伴生金常被金屬硫化物包裹。氧化焙燒是破壞硫化物包裹最常用的方法[21]。

2.1.1 焙燒溫度對質(zhì)量損失率的影響

礦樣差熱分析(TGA)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)溫度升高到400 ℃時，樣品的質(zhì)量開始變化，砷黃鐵礦開始發(fā)生氧化反應(yīng)，生成揮發(fā)性很強的As2O3，As 轉(zhuǎn)化為氣相，達到脫砷的效果，如式(1)所示。同時，黃鐵礦發(fā)生熱解離，生成硫和磁黃鐵礦，如式(2)所示，此時，對應(yīng)TGA曲線斜率開始急劇增大；隨著溫度的升高(500 ℃)，在有足夠氧氣的條件下，黃鐵礦與其熱解離生成的磁黃鐵礦氧化，如式(3)～(5)所示；當(dāng)溫度繼續(xù)升高到650～750 ℃時，氧化生成的氧化鐵與硫化鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如式(6)和(7)所示；溫度高于650 ℃后，由于黃鐵礦和砷黃鐵礦的不斷氧化，其含量也隨之降低，因此反應(yīng)速率開始降低[22]。由于溫度越高，能耗就越高，且金在過高溫度下會少量揮發(fā)，又因溫度超過700 ℃后，質(zhì)量損失曲線斜率趨于零，故選取700 ℃作為本研究的焙燒溫度。

2.1.2 焙燒時間對礦石中硫去除率的影響

將盛放礦粉的石英舟置于 700 ℃的馬弗爐中焙燒，焙燒時間對礦石中硫去除率的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著焙燒溫度的升高，硫化物和砷化物不斷氧化，硫去除率不斷增加，當(dāng)焙燒時間達到 2 h時，硫去除率為 94.7%，繼續(xù)延長焙燒時間，硫去除率基本不再變化。因此，焙燒的最佳時間為2 h。

2.2 難處理含金硫精礦焙燒氧化后的硫代硫酸鹽浸出

實驗所用硫代硫酸鹽浸出劑含 0.3 mol/L Na2S2O3、0.03 mol/L CuSO4、1.0 mol/L NH3·H2O、0.1 mol/L (NH4)2SO4、0.3 mol/L Na2SO3[23]。

圖3 礦樣的TGA曲線Fig. 3 TGA curve of ore sample

圖4 焙燒時間對硫去除率的影響Fig. 4 Effect of roasting time on removal rate of sulfur

溶液中發(fā)生的主要反應(yīng)如式(8)所示；其中 NH3與Cu2+形成的Cu(NH3)42+在反應(yīng)過程中起氧化劑的作用，如式(9)所示；氨的存在能阻止S2O32?分解產(chǎn)生的硫在金表面產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，并且銨根與金形成的二胺絡(luò)合物能與硫代硫酸根離子反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的Au(S2O3)23?，如式(10)所示；溶液中硫酸銨既可抑制S2O32?的氧化，如式(11)所示，又可防止S2O32?水解和沉淀物S和CuS的生成，如式(12)和(13)所示；亞硫酸鈉作為穩(wěn)定劑，可阻礙 S2O32?在堿性環(huán)境下的分解[5,24?26]，如式(14)所示。

2.2.1 礦石中硫去除率對金浸出率的影響

取原礦與焙燒得到不同硫去除率的礦粉各10 g，加入浸出劑，將恒溫振蕩器的浸出參數(shù)設(shè)定如下：溫度50 ℃、液固比3:1、振蕩速度250 r/min、浸出時間18 h。礦石中硫去除率對金浸出率的影響如圖5所示。

由圖5可知，焙燒后金浸出率明顯高于原礦直接浸出的浸出率。且隨著硫去除率的增加，金浸出率也增大。未經(jīng)焙燒的硫代硫酸鹽溶液浸出，金的浸出率僅為 10.1%。當(dāng)硫去除率達到 94.7%時，金浸出率為66.9%，遠高于原礦的金浸出率，這是因為隨著硫去除率的增大，礦石中包裹金的硫化礦氧化更充分，金暴露得更多。張順應(yīng)[27]用限氧焙燒脫砷?沸騰焙燒脫硫?氧化法提取含砷金硫精礦中的金，第一步在700 ℃中限氧焙燒30 min，第二步在800 ℃以上溫度焙燒，硫去除率為93%，最后金氰化浸出率為70%。而在本研究中采取一段焙燒，工藝流程更加簡單，能耗更低，且浸出劑更加安全環(huán)保。

圖5 硫去除率對金浸出率的影響Fig. 5 Effect of removal rate of sulfur on leaching rate of gold

2.2.2 焙燒前后礦石的 SEM 像以及能譜掃描元素分析

圖6所示為原礦與焙燒后礦樣的SEM像。由圖6(a)可見，原礦顆粒表面平滑，棱角分明，結(jié)構(gòu)致密，大部分呈塊狀。由圖6(b)可見，焙燒后的礦樣由于包裹金的硫化物和砷化物的氧化分解，使原本致密的礦石顆粒表面結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，比表面積也隨之增大，使浸出劑更容易與金接觸反應(yīng)，進而浸出率有較大幅度的提高。表2所列為焙燒前后礦樣能譜掃描元素分析結(jié)果。由表2可知，焙燒前礦樣含有大量的硫元素以及少量砷元素，焙燒后砷元素幾乎不存在，硫元素的去除率達到95.68%。由此可見，在700 ℃下焙燒2 h，能達到很好的除硫除砷效果。

圖6 原礦與焙燒后礦石的SEM像Fig. 6 SEM images of raw ore (a) and roasted ore (b)

表2 圖6(a)中A、B點和圖6(b)中C、D點的EDS能譜分析結(jié)果Table 2 EDS analysis results of points A and B in Fig. 6(a)and points C and D in Fig. 6(b)

2.2.3 浸出時間對金浸出率的影響

取預(yù)處理后的礦粉10 g，在浸出溫度為50 ℃、液固比為3:1、振蕩速度為250 r/min時浸出時間對金浸出率的影響如圖7所示。

由圖7可知，隨著浸出時間的延長，金浸出率提高，當(dāng)浸出時間由4 h延長到18 h，金浸出率從53.4%增加到 66.9%；進一步延長浸出時間，金浸出率不再增加。又由于浸出時間增加，能耗增大，因此，最佳浸出時間應(yīng)為18 h。與常規(guī)的氰化浸出相比[12?13]，本實驗中采用的方法浸出時間更少。

圖7 浸出時間對金浸出率的影響Fig. 7 Effect of leaching time on leaching rate of gold

2.2.4 液固比對金浸出率的影響

液固比對金浸出率的影響直接關(guān)系到浸出劑的用量。當(dāng)其他條件不變、浸出時間為18 h時，液固比對金浸出率的影響如圖8所示。由圖8可知：隨著液固比的增大，金浸出率先增大后減小。增大液固比，反應(yīng)物與浸出劑接觸的概率增加，從而使金浸出率增大。當(dāng)液固比為2:1時，金浸出率最大，達到69.1%。繼續(xù)增大液固比時，金浸出率反而下降，因此，最佳液固比為 2:1。彭會清等[28]選用硫代硫酸鹽浸出金含量為0.76 g/t的硫化礦，浸出劑成分為75 g/LNa2S2O3、50 g/L (NH4)2SO4、5 g/L CuSO4、pH=9. 0(氨水調(diào)節(jié))，金浸出率可達90%。但比較單位質(zhì)量金所消耗的試劑，本次研究用量明顯更少。

2.2.5 振蕩速度對金浸出率的影響

當(dāng)其他條件不變、液固比為2:1時，振蕩器的振蕩速度對金浸出率的影響如圖9所示。由圖9可知：隨著振蕩速度增大，金浸出率有較大幅度的增加，當(dāng)振蕩速度為250 r/min時，浸出率達到最大值70.0%。振蕩速度增大，礦粉與浸出劑的混合更加均勻，礦粉表面的擴散層厚度減小，金浸出率增大。隨著振蕩速度增大，擴散層趨于一個穩(wěn)定值，金浸出率也趨于穩(wěn)定。但當(dāng)振蕩速度達到300 r/min時，金浸出率反而減小，這是因為振蕩速度太快，一方面會加快溶液中S2O32?的氧化，另一方面會造成礦粉和浸出劑形成整體轉(zhuǎn)動或附壁旋轉(zhuǎn)，致使礦粉表面接觸不到新的浸出劑，阻礙硫代硫酸鹽與金的反應(yīng)，從而導(dǎo)致金浸出率下降。故選用最佳振蕩速度為 250 r/min。白成慶[23]的研究表明，最佳振蕩速度為300 r/min，因其所用礦粉粒徑為0.074 mm以下的含量為85%。與本研究相比，礦樣粒徑更小，為使礦樣混合均勻，所需振蕩速度更大。

圖8 液固比對金浸出率的影響Fig. 8 Effect of ratio of liquid to solid on leaching rate of gold

圖9 振蕩速度對金浸出率的影響Fig. 9 Effect of oscillating speed on leaching rate of gold

2.2.6 浸出溫度對金浸出率的影響

當(dāng)其他條件不變、振蕩速度為250 r/min，浸出溫度對金浸出率的影響如圖10所示。由圖10可知：隨著浸出溫度升高，金浸出率提高；當(dāng)浸出溫度為50 ℃時，金浸出率達到 71.2%。適當(dāng)溫度升高能促進分子間的作用，加快化學(xué)反應(yīng)速率。但是，溫度過高會使硫代硫酸鈉和亞硫酸鈉分解，生成沉淀，從而降低金浸出率[5]。因此，選擇最佳浸出溫度為 50 ℃。AYLMORE等[5]研究表明，硫代硫酸鹽浸出含金硫化礦，在55 ℃條件下的浸出率為70%。相比較而言，本次研究能耗明顯降低。

圖10 浸出溫度對金浸出率的影響Fig. 10 Effect of leaching temperature on leaching rate of gold

3 結(jié)論

1) 本研究中所用難處理含金硫精礦的化學(xué)成分極為復(fù)雜，其中鐵、硫和砷的含量(質(zhì)量分數(shù))分別為40.16%、43.08%和1.02%，金的品位為6.7 g/t。

2) 通過差熱分析及馬弗爐焙燒實驗，確定難處理含金硫精礦的焙燒氧化條件如下：700 ℃下焙燒2 h。在此條件下硫去除率達到94.7%。

3) 采用硫代硫酸鹽浸出時，金的浸出率隨硫去除率的增大而增大，隨浸出時間的延長而增大，隨振蕩速度、液固比和溫度的增大先增大后減小。金的最佳浸出條件如下：浸出時間18 h、液固比2:1、振蕩速度250 r/min、浸出溫度50 ℃。在此條件下，金浸出率達到71.2%。

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