加壓浸出技術在回收銅冶煉廢渣有價金屬中的應用

董偉麗，徐 吉

有價金屬泛指所有稀有金屬，雖然其數(shù)量稀少而且存在較大的提純與開采難度，卻是推動高新技術領域可持續(xù)發(fā)展的重要原材料，更是國家重要戰(zhàn)略儲備物資。經(jīng)過相關科研人員的努力探究，發(fā)現(xiàn)在銅冶煉廢渣當中存在豐富的有價金屬。如果能夠借助相關技術最大限度提取出銅冶煉廢渣當中的有價金屬，使其得到有效回收，勢必可以促進我國有價金屬產(chǎn)出量的大幅提升。然而，在現(xiàn)有的回收銅冶煉廢渣有價金屬提取技術當中，加壓浸出技術表現(xiàn)出強大的整體優(yōu)勢。有必要針對該項技術進行更深層次的探究，構建起更加科學完善的技術應用策略，使其在回收銅冶煉廢渣有價金屬提取領域內(nèi)得到更好的推廣與應用。

1 加壓浸出技術應用于銅冶煉廢渣有價金屬回收的背景

首先，鑒于鋅、鈷、鎳、錫、銻、鍺、銦等有價金屬在通訊技術、電子計算機、航空航天、醫(yī)藥衛(wèi)生、國防軍事等行業(yè)內(nèi)發(fā)揮著無可替代的重要作用，而很多有價金屬又富集于銅冶煉廢渣當中。因此，為了促進銅、鉛、鋅等冶煉企業(yè)原料中各種有價元素的回收與再利用，使這一部分稀缺金屬資源得到規(guī)范化回收與合理化拆解，并且賦予其新的利用價值，使其在相關行業(yè)內(nèi)得到高效利用。通過這一途徑，還可以有效避免各種重金屬對自然生態(tài)環(huán)境造成污染與破壞。因此，國家提倡冶金企業(yè)建立起完善的銅、鋁再生資源利用體系。為此，國家環(huán)保部門于2015年12月24日頒布了《砷污染防治技術政策》，并且在全國范圍內(nèi)打造了一批鋅、鈷、鎳、錫、銻、鍺、銦、貴金屬等回收利用及冶煉廢渣綜合利用示范工程。同時，帶動一大批高精尖科研人員參與到相關技術研發(fā)行列當中，極大的推動了加壓浸出技術的創(chuàng)新發(fā)展。通過這一系列舉措，為冶金企業(yè)利用加壓浸出技術對銅冶煉廢渣有價金屬進行回收利用提供了極大的政策支持與技術保障，更為冶金企業(yè)創(chuàng)造新的效益增長點、擴大生產(chǎn)規(guī)模提供了更加廣闊的空間；其次，從砷、鉛、鎳等有價金屬的內(nèi)部成分上看，其本身具有一定毒性作用。而這些有價金屬又富集于銅冶煉廢渣當中，一旦銅冶煉廠對于冶煉廢渣處理方式不得當，極易對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的污染與破壞。為此，我國環(huán)保部門出臺了多項政策及法規(guī)，鼓勵含有價金屬物料產(chǎn)量較大的企業(yè)采取有效措施對廢渣當中的有價金屬進行提取與回收，使其中寶貴的有價金屬得到無害化處置和資源化處置，從而實現(xiàn)資源的高效合理利用。上述兩方面因素，同時為加壓浸出技術在回收銅冶煉廢渣有價金屬中的有效應用提供了重要前提與必要保障。

2 銅冶煉廢渣的成分分析

在銅冶煉廢渣當中，同時存在著有害物質(zhì)和有價金屬這兩類物質(zhì)。在有害物質(zhì)中，主要包括硫化砷渣、白煙塵、含鉛廢渣、含錸廢渣酸泥、硒碲硫渣、黑泥等；在有價金屬方面，包含砷、鉛、銅、硒、碲、錸、銦等多種金屬元素，這些有價金屬均具有相當高的回收利用價值。但是，由于這些有價金屬富集于銅冶煉廢渣當中，勢必會與各種有害物融合在一起。因此，需要借助科學有效的提取技術將有價金屬從有害物質(zhì)當中剝離出來，方可達到可以回收利用的程度。目前，能夠在鉛冶煉廢渣當中提取有價金屬的方法比較多。但是，在這些方法當中加壓浸出技術的應用效果最為顯著，具有更高的推廣應用價值。加壓浸出技術具有濕法、火法、焙燒法等多種方法可供選擇，每一種方法都具有各自不同的優(yōu)勢特點。比如火法成本最低，而且操作方法簡單便捷；而濕法具有更高的環(huán)保價值和回收產(chǎn)品提純度。因此，與其他幾種方法相比，濕法更加符合提取有價金屬的核心要求。所以，以濕法為代表的加壓浸出有價金屬提純技術在國內(nèi)擁有最高的使用率和應用效果。

3 加壓浸出技術在銅冶煉廢渣有價金屬回收中的應用原理

3.1 反應過程與設備應用

在采用加壓浸出技術對銅冶煉廢渣中的有價金屬進行回收提取時，會產(chǎn)生“MeS+1/2O2+2H+→Me2+SO+H2O”這一化學反應。此化學反應的過程雖然比較穩(wěn)定，但卻存在較高的反應難度，而且反應效率緩慢。從加壓浸出技術的操作步驟上看，主要存在加溫、加壓這兩個環(huán)節(jié)。該項技術的核心設備是高壓釜，一臺高壓釜設備當中的入口、攪拌器、出口三個部分發(fā)揮出重要作用。在設備應用的過程中，先將銅冶煉廢渣漿液從臥式高壓釜的入口處導入。之后，開啟電機，同時對釜內(nèi)的銅冶煉廢渣漿液進行加溫和加壓；銅冶煉廢渣漿液在高溫與高壓的作用下，自動流向攪拌器；當漿液中的有害物與有價金屬已經(jīng)達到分離狀態(tài)之后，停止攪拌；此后，讓含有有害物質(zhì)的漿液從出口處排出。而含有有價金屬的待浸出漿液經(jīng)過浸出提取之后，即可完成有價金屬的回收。

3.2 浸出原理

從加壓浸出技術的作用原理上看，主要是借助化學溶劑讓固體物質(zhì)發(fā)生溶解，為有價金屬的最終提取提供必要條件。由此看來，化學溶劑的選擇是非常關鍵一步。目前，較為常用的化學溶劑有水、酸、堿及鹽水溶液等等。而在選擇的過程中，需要依據(jù)待處理固體物質(zhì)的具體性質(zhì)而合理選定。如果操作人員所選擇的化學溶劑較為科學合理，溶解物質(zhì)與不可溶解物質(zhì)便會在化學溶解物的作用之下相互分離，最終完成有價金屬的浸出回收過程。目前，在利用加壓浸出技術進地銅冶煉廢渣有價金屬回收的過程中，主要涉及到以下兩種應用形式：第一種，常壓浸出。這是一種較為傳統(tǒng)的浸出方法，其劣勢在于可回收范圍較小。但是，在其可回收范圍之內(nèi)，這種方法非常穩(wěn)定且可靠。比如利用常壓浸法，可以從硫化砷渣、白煙塵這兩種物質(zhì)當中分離出砷，從而實現(xiàn)有價金屬的回收；第二種，加壓浸出。這種方法雖然較為新穎，卻可以有效促進物質(zhì)之間的化學反應，最終的處理效果也令人非常滿意。所以，加壓浸出技術一經(jīng)推出，便深受業(yè)內(nèi)人士的認可，擁有相當高使用率。但是，在浸出處理過程中，可能會同時涉及到液體、固體、氣體等多種物質(zhì)，由此產(chǎn)生較為復雜的多相反應。在這種情況下，浸出率和浸出效果會受到浸出原料成分、粒度細度、化學溶劑濃度、礦漿濃度等多種因素的影響?；谶@一情況，操作人員可以結(jié)合浸出處理的實際需求，在常壓浸出和加壓浸出當中做出合理選擇。比如在針對低品位、礦物金屬成分復雜的原材料進行浸出處理時，適合采用常壓浸出該當。在針對高品位、礦物金屬成分簡單的原材料進行浸出處理時，則適合采用加壓浸出方法。但是，總體而言，目前加壓浸出的使用率明顯高于常壓浸出，在有價金屬浸出領域內(nèi)占據(jù)著主流地位。

3.3 影響因素

在針對銅冶煉廢渣進行加壓浸出處理的過程中，會同步涉及到液體、固體、氣體等多種物質(zhì)的有效處理。這就意味著加壓浸出過種極有可能在各種物質(zhì)的共同參與與作用之下，產(chǎn)生較為復雜的多相反應，進而對浸出效果和浸出率造成負面影響。具體的影響因素及其負面作用表現(xiàn)在以下幾個方面：其一，原料成分。如果原料成分過于復雜或過于簡單，都會對浸出率造成不良影響；其二，粒度細度。粒度細度不足，會導致物質(zhì)無法充分溶解以及浸出受阻；粒度細度過大，會加大浸出成本，而且浸出液體與固狀物難以分離；其三，化學溶劑濃度。濃度過高，會因為浸出速度過程快導致浸出不充分；濃度過低會降低浸出效率，或者因多次投放化學溶劑增加成本以及工作量；其四，溫度。溫度過高，會導致可溶解度、反應速率過高，有價金屬也隨之一起溶解，使浸出率受到嚴重影響；其五，礦漿濃度。礦漿濃度過高，會導致浸出率低；如果礦漿濃度過低，會導致浸出速度過快，對浸出效果造成負面影響。鑒于存在上述影響因素，在常壓狀態(tài)下，雖然可以通過化學溶劑的合理選擇使浸出準確性獲得一定的保障，卻無法保證取得理想的浸出效率生浸出效果。也就是說，在應用常壓浸出技術時，操作人員可以通過使用化學溶劑對銅冶煉廢渣當中的有價金屬進行浸出處理，但是，一旦存在溫度過低或者壓力過小等情況，就會對浸出效果造成負面影響。因此，采用常壓處理技術，只能處理一些低品位、礦物金屬成分較為復雜的原材料。要想針對那些高品位、礦物金屬成分簡單的原材料進行浸出處理，并且取得較為理想的浸出效率和浸出效果，只能采用高溫+高壓浸出技術。

3.4 加壓浸出工藝技術發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的冶煉行業(yè)廢渣有價金屬回收方式主要包括火法和濕法兩種類型。其中，火法時主要采用焙燒法，而濕法主要依托于浸出法。例如在采用焙燒法對砷進行回收時，需要硫化砷渣經(jīng)過氧化焙燒，形成三氧化二砷之后，進入煙氣，再經(jīng)過冷凝完成整個回收過程。此方法雖然工藝設備比較簡單，而且成本較低，但其回收率低和產(chǎn)品純度均不夠理想。不僅如此，在回收過程中，還極易造成環(huán)境污染。因此，目前焙燒法的使用率較低，更多的是采用浸出法。同樣以砷的回收為列，在使用加壓浸出技術這前，需要事先對砷濾餅進行漿化、升溫處理，之后將漿料輸送至反應釜當中。同時，對反應釜的壓力和溫度進行相應的調(diào)整。通常情況下，將反應壓力設定在1.0MPa～1.1MPa之間，反應溫度設定在160℃～170℃之間，反應時長4h～6h之間。按照上述參數(shù)進行設定，便可以為溶解氧與銅砷硫化物在反應釜當中產(chǎn)生氧化還原反應提供一個適宜的環(huán)境，使原本固相的銅砷轉(zhuǎn)化成離子態(tài)的液相，并且將As3+氧轉(zhuǎn)化成為As5+。待浸出液冷卻過濾之后，還會經(jīng)歷還原結(jié)晶、離心分離、干燥包裝等多道工序，直至最終得到高純度砷。運用上述加壓浸出工藝技術路線對銅冶煉廢渣中的砷進行提取，不僅浸出率高達97.68%，還不易對生態(tài)環(huán)境造成污染，具有較高的安全穩(wěn)定性。

4 加壓浸出技術的優(yōu)勢特點與現(xiàn)狀

在應用加壓浸出技術在銅冶煉廢渣當中提取回收有價金屬時，臥式反應釜是主要設備，絕大多數(shù)回收操作都需要依靠此設備完成。該設備可以連續(xù)不間斷作業(yè)，而且浸出效率快、產(chǎn)出率高，浸出效果符合有價金屬純度要求。不僅如此，憑借加壓浸出技術及高壓釜設備還可以回收到非常珍貴的稀稀散有價金屬，這一點顯然是其它浸出技術所無法比擬的。與焙燒法等火法相浸出流程相比較而言，加壓浸出技術極大的簡化了導入物料的工序，使有價金屬回收效率獲得更加顯著的提升。另外，憑借加壓浸出技術獨特的“加壓浸出+還原”工藝，可以一次性得到產(chǎn)品級氧化砷。在這個浸出處理過程中，不會對環(huán)境造成任何污染，有效解決了砷害污染問題。

5 加壓浸出技術的研究方向

雖然加壓浸出技術具有非常顯著的技術優(yōu)勢，但實際應用過程中，仍在存在一些亟待研究與解決的問題，是今后的重點研究方向。首先，在浸出過程中，尚未形成一個非常明確的標準溫度和標準壓力數(shù)值。一方面在因為浸出技術本身需要面對較為復雜的物質(zhì)成分，難以針對標準溫度及壓力進行界定。另一方面，這項技術在我國研究應用起步時間較晚，所以其技術應用體系還有待進一步完善與改進。目前可以確定的是，在預處理階段應用加壓浸出技術，可有效增強物質(zhì)顆粒的反應活化性，從而獲得更高的有價金屬回收率。目前，研究人員又提出了熱活化、超聲波活化以及輻射活化等多種方法，極大的促進了該項技術應用水平的提升；同時，借助催化劑還可以進一步保障提純效果。此外，在應用加壓浸出技術的過程中，雖然化學溶劑的使用量有所降低，卻仍然沒有達到徹底擺脫化學溶劑的程度，這就意味著依然存在一定的化學污染。針對這一問題，需要相關技術人員進一步進行研究與創(chuàng)新，研制出既可以替代化學溶劑又不會造成污染的新型溶劑；再者，在應用加壓浸出技術時，會應用到一些強腐蝕性介質(zhì)。而一些儀器設備在而這些強腐蝕介質(zhì)的長期作用之下，必然會造成某些零部件的損傷，當這種損傷嚴重到一定程度時，就是引發(fā)設備故障，進而對浸出效率與回收效果造成負面影響。對于這一問題，目前尚未提出有效的解決方法，一方面浸出儀器設備故障率居高不下，另一方面需要企業(yè)花費高額設備維修費用。這兩方面問題對加壓浸出技術的推廣與普及應用構成嚴重阻礙。

6 加壓浸出技術的應用標準及流程

目前，我國冶金行業(yè)已經(jīng)基于加壓浸出技術現(xiàn)有的研究成果，針對有價金屬回收出臺了一些技術標準與執(zhí)行規(guī)范。為操作人員制訂有價金屬回收方案提供了參考依據(jù)。在現(xiàn)有的技術標準當中，針對反應溫度、反應壓力、反應時間、排出壓力等核心指標提出了具有指導意義和參考價值的技術參數(shù)，并且制訂了預處理、加溫、漿液導入、加壓與控溫、還原反應、浸出處理、成品這一操作流程。以銅冶煉廢渣內(nèi)當中提取砷為例，對此標準化浸出流程進行具體說明：首先，預處理是指在銅冶金廢渣當中挑選出砷濾餅，之后再將投入到煉渣爐當中其進行漿化處理，當溫度達到相關標準時，即可將其導入到臥式反應釜內(nèi)進行施壓與加熱。在這個過程當中，操作人員要做好溫度控制，并且適時導入化學溶劑，使?jié){化后的砷濾餅與溶解氧之間產(chǎn)生氧化反應。此時，砷濾餅內(nèi)的銅砷硫化物便逐漸轉(zhuǎn)化成為離子狀態(tài)，其內(nèi)部As3+也會氧化成為As5+，最終得到浸出液。再針對浸出液進行冷卻、過濾、還原結(jié)晶、離心分離、干燥包裝等處理，便可以得純度高達97%以上的砷。

7 實例驗證

某大型銅冶煉廠在冶煉生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)出大量冶煉廢渣。該企業(yè)為了積極響應國家號召，支持環(huán)保事業(yè)，同時為自身創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益，引進了加壓浸出技術，用于對冶煉廢渣當中的有價金屬進行回收。為此，企業(yè)引進了4.4*18米煉渣爐及相關配套設備，按照預處理→加溫→漿液導入→加壓與控溫→還原反應→浸出處理→成品這一操作流程得到高到99%的砷回收率。在制訂高壓浸出技術應用方案進，各項核心指標分別為：反應溫度158℃，反應壓力1.2MPa，反應時長5.5h～5.7h，排出壓力0.4MPa～0.5MPa。此外，企業(yè)在同等加壓浸出技術應用條件下，又針對對銅、錸等有價金屬進行了回收處理。其中，銅回收率達到85%，錸回收率高達98%。通過應用加壓浸出技術不，該銅冶煉企業(yè)不僅對銅冶煉廢渣發(fā)中的有價金屬進行了高效回收，為企業(yè)創(chuàng)造了非?？捎^的經(jīng)濟效益，更為稀缺資源高效利用以及國家經(jīng)濟建設做出巨大貢獻。

8 結(jié)語

在我國，以砷、鉛、鋅、錸、銦為代表的有價金屬雖然存在較大的開采難度，而且總體開采量比較小。但在通訊技術、電子計算機、航空航天、醫(yī)藥衛(wèi)生、軍事領域內(nèi)，有價金屬卻具有非常高的應用價值。在銅冶煉廢渣當中，含有的豐富的有價金屬，而加壓浸出技術在有價金屬提取方面具有較高推廣價值。通過應用此項技術，不僅浸出率較高，還不會造成環(huán)境污染，可有效促進我國有價金屬產(chǎn)量的提升。相關技術人員還要針對加壓浸出技術的標準工藝進行持續(xù)不斷研究，使這項技術呈現(xiàn)出更高的應用水平。