電解鎳廢渣的資源化利用研究

韓 彪 何俊賀 黃世友 趙 偉 張維維 趙漢南

（廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 廣西南寧 530022）

電解鎳廢渣的資源化利用研究

韓 彪 何俊賀 黃世友 趙 偉 張維維 趙漢南

（廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 廣西南寧 530022）

不銹鋼工業(yè)飛速發(fā)展，鎳的需求量越來越大。電解鎳生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的廢渣，露天的廢渣堆放，不僅占用了大量的土地資源，若污染措施不到位有污染周圍環(huán)境的風(fēng)險。對廢礦渣的成分分析表明，礦渣并不是完全無用的廢料，往往含有可作其他用途的組分，完全可以綜合利用，對廢渣的無害化處理與資源化利用成為研究熱點(diǎn)。本文在電解鎳渣特性的分析基礎(chǔ)上，對國內(nèi)電解鎳渣的資源化利用進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，分析了廢渣各種資源化利用方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為電解鎳行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展與電解鎳渣的綜合回收利用技術(shù)研發(fā)提供參考。

電解鎳渣；成分分析；資源化利用；建筑材料

引言

鎳是鐵磁性金屬，具有足夠的韌性和良好的機(jī)械強(qiáng)度，可以經(jīng)受各種類型的機(jī)械加工，用它制造的不銹鋼和各種合金鋼在機(jī)械、電氣等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。不銹鋼工業(yè)的高速發(fā)展，帶動鎳需求高速增長，2013年總產(chǎn)能超過100萬t（鎳金屬量）[1]。我國精煉鎳主要采用硫化鎳陽極隔膜電解和硫酸選擇性浸出-電積工藝，但電解鎳生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量廢渣，主要來源于礦石酸浸后固液分離產(chǎn)生的鎳渣等。電解鎳渣多以自然堆積法儲存于棄渣場中，處理需要擠占大量的土地；受到腐蝕時，在外界因素如暴雨沖刷下，鎳渣中的可遷移元素發(fā)生化學(xué)遷移時，將會對大氣和水土造成嚴(yán)重污染，導(dǎo)致植被破壞甚至直接威脅到人畜的生命安全[2～3]。

1 電解鎳產(chǎn)業(yè)概況

我國不是鎳資源特別豐富的國家，鎳儲量僅為全球的4.1%，目前主要依靠從菲律賓、印尼進(jìn)口是進(jìn)口大量紅土鎳礦在國內(nèi)冶煉鎳鐵，近年在東南沿海一帶興建大量鎳鐵企業(yè)和濕法生產(chǎn)電解鎳的工廠[4]。以紅土鎳礦為原料，以濕法破碎篩分，分出三個品級礦石，采取高溫低壓酸浸濕法工藝，得到硫酸鎳液體，然后通過氧化、中和、凈化（包括粗濾、凈化、精濾）分離提純后，電解及成品處理工序即得到電解金屬鎳及其酸性濾渣[5]。

一方面，我國鎳市場需求旺盛，從而使得電解鎳的表觀消費(fèi)量急增。另一方面，大量金屬鎳的生產(chǎn)必然帶來更多的電解鎳渣[6]，由于電解過程中大量使用硒和鉻，所產(chǎn)生的大量廢渣必然會產(chǎn)生大量的含鉻、鎂、砷、銅、鋅和錳等重金屬有毒元素，從而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境污染。如果能對電解鎳渣加以資源化利用，不僅具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，更重要是帶來的環(huán)境效益。本文以某電解鎳生產(chǎn)項(xiàng)目為例，對生產(chǎn)工藝技術(shù)路線介紹，并對資源與能源利用“污染物產(chǎn)生”廢物資源化利用上進(jìn)行研究。

2 項(xiàng)目基本情況

項(xiàng)目位于廣西某產(chǎn)業(yè)園內(nèi)，年處理紅土鎳礦石30萬t，年產(chǎn)5000t金屬鎳板。采用的常壓酸浸法，簡稱“常壓酸液—?dú)溲趸嚒腿‰姺e”工藝，其工藝流程圖如圖1所示。其生產(chǎn)流程為：原礦石以濕法破碎篩分，分為三個品級礦石，脫出大部分中性水循環(huán)利用；各品級礦石，分別采用堆液和攪伴浸出方法，在常壓條件下，用硫酸浸出。經(jīng)固液分離和浸渣洗滌，產(chǎn)出合格的浸出液；洗凈的浸渣，經(jīng)脫水，加石灰拌和后排放到廢渣場；浸出液經(jīng)鐵礬法除鐵，化學(xué)中和除雜質(zhì)后的凈硫酸鎳（鈷）溶液，加堿調(diào)pH>8，沉淀出中間產(chǎn)品Ni（OH）2和Co（OH）2，送壓濾脫水后送下道工序，除雜渣經(jīng)洗滌，壓濾脫水后，加石灰拌和后排放到廢渣場；中間產(chǎn)品氫氧化鎳（鈷）；用電積陽極液和少量精制硫酸溶解后的純凈（NiSO4+ CoSO4）溶液，萃取深度除雜，分離Ni、Co后的合格NiSO4液即陰極液，經(jīng)電積生產(chǎn)電鎳板（含鎳99.96%），分離出的CoSO4加入碳酸鈉得到碳酸鈷產(chǎn)品。本文研究的對象為冶煉過程中產(chǎn)出的固體廢棄物，包括浸出渣、尾渣和少量石灰渣等混勻后的堆棄物。

3 電解鎳渣的化學(xué)成分及礦物組成

電解鎳渣是冶煉金屬鎳過程中產(chǎn)生的廢渣，主要來源及化學(xué)成分如表1～2所示，可以看出鎳渣的粒度在1～5mm范圍的占90%以上，由于在電解過程加入硫酸而呈酸性或弱酸性?；瘜W(xué)成分如下：Ni0.39%，Co0.01% ，F(xiàn)e2O38.8% ，MgO14.5% ，SiO233% ，Al2O31.8% ，Cu0.005% ，Cr0.12%，CaSO438.88%。電解鎳渣中除了主要是SiO2和CaSO4外，還含有鎳、鈷、銅、鎘、鉻等離子，但鈷和銅離子的含量最少。由表可以看出，廢礦渣的成分和一般的土壤相差不大，本身冶煉廠的原料就是進(jìn)口的土壤，經(jīng)過提取鎳后得出廢礦渣。

圖1 電鎳生產(chǎn)工藝流程圖

表1 電解鎳渣產(chǎn)生及主要成分表

表2 電解鎳渣化學(xué)成分分析表

電解鎳渣經(jīng)浸出毒性試驗(yàn)分析，分析結(jié)果摘錄如表3所示。

表3 電解鎳渣浸出毒性分析結(jié)果（單位：mg/L）

由表1～3的分析結(jié)果可以看出，電解鎳渣經(jīng)浸出試驗(yàn)分析，浸出液中均無污染物超《危險廢物標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)》（GB5085.3-1996）規(guī)定的闕值，pH值在2.0～12.5之間，也未超《腐蝕性鑒別限值》（GB5085.1-1996），因此，電解鎳渣不屬于具腐蝕性和浸出毒性的危險廢物。

4 電解鎳渣的綜合利用

在鎳冶煉廢渣中含有較多的Cu和Mn和其他稀有金屬離子，可以做提取Cu、Mn等的原料，同時由于電解鎳渣含有豐富的SiO2和Fe2O3，具有潛在的水硬性，因而可以應(yīng)用于建材行業(yè)，還可以作為礦井的填充料。

4.1 從電解鎳渣中提取有用元素

對于Ni、Cu、Co、Zn等含量較高的鎳渣，應(yīng)盡可能從中提取出這些有價元素。利用酸浸工藝可以再次提取鎳渣中的Ni、Cu、Co等，然后分次提純和分離，最終得到成品硫酸鎳、硫酸銅和硫酸鈷，整個工藝流程較簡單，所用設(shè)備也較少，且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。提取工藝排放的大量酸性廢水，其中含有大量的廢酸和重金屬離子，必須加以治理，可用石灰中和后進(jìn)行存放或再利用。

4.2 利用電解鎳渣生產(chǎn)免燒磚

利用廢礦渣制備免燒磚，是一種新型節(jié)能利廢的制磚技術(shù)和廢渣資源化利用方法。電解鎳渣是一種富含硫酸鹽的惰性硅鋁質(zhì)材料，粒徑在1～5mm范圍的顆粒占90%以上，SO3含量高達(dá)30%，因此無需粉磨即可直接用于制備免燒磚，而且在膠凝體系中可作為粉煤灰類材料的火山灰活性激發(fā)劑參與反應(yīng)，制備免燒磚是對電解鎳渣合理資源化利用的有效措施[7]。實(shí)踐表明，將40%電解鎳渣、35%粉煤灰、10%生石灰、15%水泥等膠凝材料按一定比例混合，摻入骨料，壓制成鎳渣免燒磚，自然條件下灑水養(yǎng)護(hù)20d磚的抗壓強(qiáng)度可達(dá)10MPa以上，完全滿足普通標(biāo)磚使用標(biāo)準(zhǔn)，制備免燒磚將成為今后處理廢渣的重要手段。

4.3 利用電解鎳渣作井下填充料

利用爐渣和廢石進(jìn)行采空區(qū)充填，技術(shù)成熟可靠，而且可以節(jié)約充填成本，同時利用了工業(yè)廢棄渣[8]。研究表明，鎳渣只有在堿性激發(fā)下才具有水硬活性，而且鎳渣的細(xì)度對制備的充填膠結(jié)料的強(qiáng)度影響比較大，特別是粒徑較小的細(xì)顆粒鎳渣，對強(qiáng)度具有正效應(yīng)。激發(fā)鎳渣活性的堿性物質(zhì)通常是Ca（OH）2，Ca（OH）2是由硅酸鹽水泥在水化過程中形成的或由外加石灰提供的。也可以采用其它物質(zhì)來激發(fā)鎳渣的活性，但以硅酸鹽水泥的激發(fā)效果最佳。優(yōu)于石灰和石膏。石灰與水泥共同激發(fā)效果也不錯；如以CaCl2作為早強(qiáng)劑則能夠在很低的摻量下取得較好的激發(fā)效果[9]。使用鎳渣作為礦井的填充材料，合理的利用方式是將部分鎳渣粉磨至比表面積大于300m2/kg，以磨細(xì)的鎳渣粉和硅酸鹽水泥共同組成膠凝材料，而以破碎的鎳渣作為充填的粗骨料，這樣可以最大量地利用鎳渣。根據(jù)鎳渣在生產(chǎn)建筑砌塊上的優(yōu)良表現(xiàn)，利用其生產(chǎn)路面磚或其他墻體材料也是可行的。

5 結(jié)語

目前，電解鎳渣作為鎳冶金工業(yè)的產(chǎn)物，它的綜合利用不僅能降低對環(huán)境的污染，而且還具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。目前要加強(qiáng)對廢渣的開發(fā)和利用研究，最大限度地將歷年堆積的鎳渣消化掉，同時要開發(fā)鎳渣的高附加值產(chǎn)品，以增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；另一方面要對鎳渣中的有用金屬做到充分回收，避免資源的浪費(fèi)。

[1]上海有色網(wǎng).2013～2014年中國鎳產(chǎn)業(yè)鏈報(bào)告[R].上海有色網(wǎng)信息科技有限公司，2013.

[2]趙凈怡，王三反.膜電解法在處理酸性含鎳廢水中的研究[J].工業(yè)用水與廢水，2004，35（6）：28～41.

[3]張春麗，馬秋芬.從含鎳廢渣中電解回收金屬鎳的研究[J].沈陽化工，1997，26（4）：22～24.

[4]于然波，徐愛東.我國鎳工業(yè)的發(fā)展前景[J].中國有色金屬，2013（1）：56～57.

[5]張志華，毛擁軍.紅土鎳礦處理工藝研究現(xiàn)狀[J].湖南有色金屬，2012，28（4）：31～35.

[6]周京英，縱凱.中國鎳資源全球配置研究[J].礦產(chǎn)勘查，2015，6（6）：86～ 91.

[7]閆振甲，何艷君.工業(yè)廢渣生產(chǎn)建筑材料實(shí)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[8]余斌.爐渣-廢石混合料水力充填試驗(yàn).金屬礦山，1996（12）：9～12.

[9]錢惠生，王玉萍，等.鎳礦井下充填水泥的應(yīng)用技術(shù)研究.吉林建材，2003（2）：22～24.

X756

A

1004-7344（2016）15-0317-02

廣西危險廢物處置產(chǎn)業(yè)化人才小高地專項(xiàng)資金項(xiàng)目；廣西培養(yǎng)新世紀(jì)學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人專項(xiàng)。

2016-5-10

韓彪（1969-），男，廣西合浦人，教授級高級工程師，主要從事“三廢”污染控制及治理、農(nóng)村環(huán)境綜合整治等工作。