銅冶煉煙灰堿浸渣氨浸工藝

王勝， 張勝全

（蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點實驗室，蘭州730050）

在火法煉銅過程中，銅精礦中Pb、Zn、As等低沸點元素?fù)]發(fā)、氧化或在氣流作用下形成熔煉煙灰和吹煉煙灰[1-3]，煙灰按照收集位置不同分為粗煙灰和細(xì)煙灰，其中都含有1%～20%的銅，為提高冶煉總回收率和綜合利用有價金屬[4-7]，大多數(shù)銅冶煉企業(yè)都將煙灰返回熔煉系統(tǒng)配料，這樣做增加了入爐原料雜質(zhì)含量，降低了爐子的處理能力并惡化爐況.Pb、Zn、As等有害元素在銅冶煉系統(tǒng)中閉路循環(huán)，大多在電解液中富集，導(dǎo)致電銅品級下降，并增加了電解液凈化的凈液量和難度.因此將煙灰開路，實現(xiàn)綜合利用是十分必要的.

銅冶煉煙灰綜回利用工藝[8]可以分為火法、半濕法、全濕法及選冶聯(lián)合4大類.采用火法處理普遍存在綜合回收水平低、勞動條件差、產(chǎn)生二次污染等問題.濕法處理銅煙灰工藝近年來發(fā)展較快，該工藝是利用酸、堿、鹽等浸出其中的Cu、Zn、As、In等金屬，再利用不同的方法分別處理浸出液和浸出渣[9-13]，工藝流程一般較長.煙灰在煙氣逸出過程中與煙氣中的O2和SO2等接觸而被氧化或硫酸化，因此煙灰中所含的金屬均以硫酸鹽或氧化物形態(tài)存在[13]，這有利于濕法綜合利用，但其中As含量在3%～10%，在有價金屬利用之前須除去有害元素As[14].堿法除As有氫氧化鈉法和氨浸法2種，鄭軍福[15]用NaOH浸出轉(zhuǎn)爐煙灰，As浸出率達(dá)到95%以上，而Ni的浸出率小于0.5%.吳玉林[16]對煉銅煙灰進(jìn)行堿浸脫As的熱力學(xué)及動力學(xué)研究，表明砷的浸出過程受內(nèi)擴(kuò)散控制，浸出動力學(xué)方程遵循未反應(yīng)收縮核模型.由于氨能與Cu、Zn、Ni、Co等形成絡(luò)合物，對金屬具有較高的選擇性，適合處理含Cu、Zn的銅冶煉煙灰.楊聲海[17]釆用氨-氯化銨浸出高鋅低砷煙灰，Zn浸出率超過96%.張恩玉[18]采用碳酸銨溶液浸出銅煙灰，Cu浸出率為85%左右，Pb、Bi、Au、Ag等有價金屬富集后返煉鉛系統(tǒng)予以回收.本文主要是氨-硫酸銨體系浸出銅冶煉煙灰堿浸渣的工藝研究.堿浸渣氨浸的主要反應(yīng)如下：

1 試劑、設(shè)備及實驗方法

銅冶煉煙灰為白銀有色金屬集團(tuán)公司銅業(yè)公司的電收塵煙灰，煙灰及堿浸渣化學(xué)成分見表1.試劑有

表1 煙灰及堿浸渣化學(xué)成分表/%Table1 Analysis of chemical components in copper smelting dust and alkali leaching residue/%

NaOH、NH3·H2O、（NH4）2SO4等.主要設(shè)備有電子天平，BPHSCAN-20 pH計，VIS723型可見分光光度計等.溶液和渣的化學(xué)成分用可見分光光度計分析，數(shù)據(jù)處理均以溶液中金屬離子濃度計.實驗裝置圖見圖1.

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental device

2 結(jié)果分析與討論

氨-硫酸銨溶液浸出銅冶煉煙灰堿浸渣時，渣中Cu、Zn與氨形成穩(wěn)定絡(luò)合物進(jìn)入浸出液[19]，實驗過程主要考察了氨水濃度、pH值、NH3/NH4+、液固質(zhì)量比、溫度、時間等因素對Cu、Zn浸出率的影響.通過正交實驗確定最佳工藝條件，條件實驗研究單一因素對Cu、Zn浸出率的影響規(guī)律.

2.1 pH值及氨水濃度對Cu、Zn浸出率的影響

pH值及氨水濃度對Cu、Zn浸出率的影響如圖2、圖3所示.由圖2可見，當(dāng)浸出過程pH值為10時浸出率最高，Cu2+、Zn2+的氨絡(luò)合物最穩(wěn)定.大于10.5時，溶液中氨揮發(fā)較嚴(yán)重，且由于0H-濃度的增大，溶液中的Cu2+、Zn2+易與0H-結(jié)合生成沉淀物，從而導(dǎo)致Cu、Zn浸出率下降.揮發(fā)氨用稀硫酸吸收，吸收液用于配制硫酸銨溶液.由圖3可見，在氨-硫酸銨浸出體系中Cu2+、Zn2+極易與NH3形成穩(wěn)定絡(luò)合物進(jìn)入溶液，氨水是形成氨絡(luò)合物的來源，隨浸出液中游離氨濃度增加穩(wěn)定區(qū)域增大，促進(jìn)了Cu2+、Zn2+形成氨絡(luò)合物；總氨濃度大于5 mol/L時，溶液中游離氨的濃度隨總氨濃度的增加變化不明顯，Cu、Zn的浸出率變化也不大.綜合考慮總氨濃度為5 mol/L，pH值為10.

圖2 pH值對Cu、Zn浸出率的影響Fig.2 Effect of pH on leaching rate of copper and zinc

圖3 氨濃度對Cu、Zn浸出率的影響Fig.3 Effect of ammonia concentration on leaching rate of copper and zinc

2.2 氨銨比對Cu、Zn浸出率的影響

圖4 氨銨比對Cu、Zn浸出率的影響Fig.4 Effect of NH3/NH4+on leaching rate of copper and zinc

氨銨摩爾比對Cu、Zn浸出率的影響如圖4所示.由圖4可見由于（NH4）2SO4溶液能與氨水形成緩沖溶液維持浸出體系pH值的穩(wěn)定，增大（NH4）2SO4濃度有助于浸出過程中游離氨的生成，促進(jìn)其與銅冶煉煙灰堿浸渣中的Cu、Zn形成氨絡(luò)合物，進(jìn)而提高Cu、Zn的浸出反應(yīng)速率與浸出率.但（NH4）2SO4濃度增加到一定濃度時，浸出反應(yīng)速率受溶質(zhì)擴(kuò)散速率控制，Cu、Zn浸出率的增加逐漸減緩，（NH4）2SO4濃度對浸出反應(yīng)速率的影響變小.且NH3/NH4+對pH值也有影響，NH3/NH4+增加pH值也增加，pH值大于10.5時，會因沉淀的生成使浸出率降低.綜合考慮確定氨銨摩爾比為2∶1.

2.3 液固質(zhì)量比對Cu、Zn浸出率的影響

液固質(zhì)量比對Cu、Zn浸出率的影響如圖5所示.由圖5可見，當(dāng)銅冶煉煙灰堿浸渣的量一定時，隨著液固質(zhì)量比的增加，溶液中游離氨的總量增加，堿浸渣中可與Cu2+、Zn2+絡(luò)合的氨總量增加；另外可以使礦漿黏度減小，改善了擴(kuò)散條件，促使液固兩相充分接觸，使得 Cu、Zn的浸出率增加.結(jié)合浸出率和浸出液中 Cu2+、Zn2+濃度，液固質(zhì)量比取5∶1.

圖5 液固質(zhì)量比對Cu、Zn浸出率的影響Fig.5 Effect of L/S on leaching rate of copper and zinc

2.4 溫度對Cu、Zn浸出率的影響

溫度對Cu、Zn浸出率的影響如圖6所示.由圖6可見，隨反應(yīng)溫度的升高，氨浸反應(yīng)所需的活化能降低，Cu2+、Zn2+與氨絡(luò)合反應(yīng)的穩(wěn)定常數(shù)也隨之增加，浸出率也不斷增加.在浸出溫度達(dá)到70℃后，Cu2+、Zn2+與氨絡(luò)合反應(yīng)的穩(wěn)定常數(shù)變化幅度減小，此時Cu、Zn浸出率趨于穩(wěn)定.溫度過高，由于Cu2+、Zn2+與氨形成的氨絡(luò)合物穩(wěn)定性降低，且在較高溫度下的揮發(fā)損失而不利于絡(luò)合反應(yīng)的進(jìn)行，降低了浸出率[20].確定最佳溫度為70℃.

圖6 溫度比對Cu、Zn浸出率的影響Fig.6 Effect of temperature on leaching rate of copper and zinc

2.5 時間對Cu、Zn浸出率的影響

時間對Cu、Zn浸出率的影響如圖7所示.由圖7可見，增加氨浸時間會使氨浸反應(yīng)進(jìn)行得完全和徹底，接近Cu2+、Zn2+與氨絡(luò)合反應(yīng)的平衡狀態(tài)；時間過長，氨浸液中氨因揮發(fā)消耗逐漸增大，導(dǎo)致其濃度逐漸降低，浸出率會有所降低.確定最佳時間為60 min.

圖7 時間對Cu、Zn浸出率的影響Fig.7 Effect of time on leaching rate of copper and zinc

3 結(jié) 論

1）氨-硫酸銨法浸出銅冶煉煙灰堿浸渣的最佳工藝條件為:總氨濃度為5 mol/L、pH值為10、氨銨摩爾比為2∶1、液固質(zhì)量比為5∶1，浸出溫度為70℃，浸出時間為60 min.在此條件下Cu和Zn浸出率分別為90.6%和92.4%.

2）氨-硫酸銨浸出體系隨總氨濃度、液固質(zhì)量比的增加Cu、Zn的浸出率均呈上升趨勢，到達(dá)一定程度后趨于平緩；而氨銨摩爾比、浸出時間、溫度和pH值超過一定值后浸出率呈下降趨勢.

3）氨-硫酸銨體系浸出銅冶煉煙灰堿浸渣時，Cu2+、Zn2+極易與NH3形成穩(wěn)定絡(luò)合物進(jìn)入溶液，Zn2+與NH3較Cu2+與NH3形成絡(luò)合物容易，且Cu、Zn浸出率的變化趨勢相近.

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