煉銅煙灰加壓浸出試驗研究①

陳榮升， 諶宏海， 王細軍， 李亞杰， 廖詩佳， 李 杰

（湖北大江環(huán)保科技股份有限公司，湖北 黃石435005）

銅是一種玫瑰紅色重金屬，廣泛用于電氣、國防等各個領(lǐng)域［1-2］，目前絕大部分金屬銅是通過火法工藝產(chǎn)出的［3-5］。 火法煉銅底吹爐造锍熔煉是將含銅物料與溶劑一起加入底吹爐內(nèi)，通入富氧空氣使物料在高溫下熔化，發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)后得到冰銅和爐渣［6-8］，銅精礦中伴生的Pb、Zn 等易揮發(fā)組分進入煙氣中［9］。 因底吹爐特殊的結(jié)構(gòu)，銅煙灰中元素種類多且含有較多的金屬硫化物，增加了煙灰的處理難度。 目前國內(nèi)外對底吹爐煙灰的研究較少，處理時存在工藝流程長、回收率低、有害物質(zhì)難于開路等難題［10-12］。 本文針對底吹爐煉銅煙灰的組成特性，采用加壓浸出法，實現(xiàn)銅、鋅兩種金屬元素的提取，主要研究了溫度、壓力、始酸濃度、浸出時間對銅、鋅浸出效果的影響，為后續(xù)分離提取提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗原料

試驗所用原料來自我國某銅冶煉企業(yè)底吹爐熔煉過程產(chǎn)生的銅煙灰，樣品經(jīng)干燥、縮分、混勻后取樣，粉磨和篩分處理，保證物料粒度小于0.074 mm。 銅煙灰粒度較細，在2 ～4 μm、10 ～20 μm 和60 ～70 μm 粒級呈現(xiàn)相對部分集中分布，平均粒度為3.86 μm，比表面積為979.3 m2/kg，有利于濕法浸出過程。

銅煙灰樣品的主要化學(xué)元素組成見表1，其X 射線衍射圖見圖1。

表1 銅煙灰主要化學(xué)元素組成（質(zhì)量分數(shù)）/%

圖1 銅煙灰XRD 圖譜

為進一步查明銅煙灰中銅、鉛、鐵和砷的賦存狀態(tài)，進行了物相定量分析，結(jié)果見表2。

表2 銅煙灰中Pb、Cu、As、Fe 的物相分布

1.2 反應(yīng)原理

根據(jù)銅煙灰中銅、鉛、砷和鐵等金屬的含量及物相分析結(jié)果，擬采用氧壓浸出法將銅、鋅與砷、鐵、鉛分離。 反應(yīng)可分為3 個階段：第一階段為易溶于酸的氧化鋅、氧化銅、氧化鐵和氧化鉛等物質(zhì)與硫酸反應(yīng)；第二階段為金屬硫化物在有氧條件下溶出，以及低價態(tài)砷、鐵被氧化為高價，此時煙灰中大部分銅、砷、鐵、鋅以可溶性硫酸鹽形式進入溶液中；第三階段為溶液中砷、鐵反應(yīng)生成砷酸鐵沉淀，與鋅、銅分離［13］。 由于銅煙灰原料中砷與鐵的比例相當，砷與鐵基本沉淀，故本文只討論溫度、壓力、始酸濃度、浸出時間對銅、鋅浸出率的影響。

1.3 試驗方法

稱取一定量的銅煙灰，按照一定的溫度、壓力、始酸濃度及浸出時間在反應(yīng)釜（威海宏協(xié)化工機械有限公司CJK-2L 磁力反應(yīng)釜，內(nèi)襯鋯材）中進行反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束后，過濾、洗滌，濾渣干燥后進行化學(xué)分析檢測，微量元素成分采用ICP-MS （Agilent 7500）檢測，銅、鋅浸出率根據(jù)渣的成分數(shù)據(jù)進行計算。

采用日本島津公司DIFFRACTO METER-6000 型X 射線衍射儀（XRD）進行礦物組成分析；采用百特BT-9300S 型激光粒度儀進行粒度分析。

2 結(jié)果與分析討論

2.1 溫度的影響

壓力1.1 MPa、始酸濃度100 g/L、浸出時間1 h 條件下，不同溫度對銅、鋅浸出率的影響見圖2。 從圖2可看出，當溫度從120 ℃增大到160 ℃時，銅、鋅浸出率逐步提高。 這是因為隨著溫度不斷升高，煙灰中可溶物質(zhì)在溶液中的溶解度增大，從而使浸出速度加快；同時，升高溫度可以降低浸出液黏度，有利于物質(zhì)擴散，從而促進浸出反應(yīng)。 但當溫度增大到180 ℃時，銅、鋅浸出率出現(xiàn)略微下降的趨勢。 因此選擇溫度為160 ℃。

圖2 溫度對銅煙灰浸出的影響

2.2 壓力的影響

溫度160 ℃，其他條件不變，不同壓力下銅、鋅浸出率如圖3 所示。 從圖3 可知，壓力從0.8 MPa 提高到1.2 MPa 時，銅浸出率有了明顯提高，繼續(xù)增大壓力時，銅浸出率上升緩慢；鋅浸出率變化趨勢與銅非常類似。 故選取壓力為1.2 MPa。

圖3 壓力對銅煙灰浸出的影響

2.3 始酸濃度的影響

始酸濃度對保證生產(chǎn)中的處理能力至關(guān)重要。 壓力1.2 MPa，其他條件不變，不同始酸濃度時銅、鋅浸出率如圖4 所示。 由圖4 可知，當始酸濃度從90 g/L增大到130 g/L 時，銅、鋅浸出率均明顯提高；進一步增大始酸濃度時，銅、鋅浸出率變化平緩。 這說明始酸濃度達到130 g/L 時，銅煙灰與酸的接觸反應(yīng)已經(jīng)比較充分。 因此確定始酸濃度為130 g/L。

圖4 始酸濃度對銅煙灰浸出的影響

2.4 浸出時間的影響

始酸濃度130 g/L，其他條件不變，浸出時間對銅、鋅浸出率的影響如圖5 所示。 從圖5 可看出，當浸出時間從1 h 延長至3 h 時，銅、鋅浸出率逐漸上升，繼續(xù)延長浸出時間至4 h 時，銅、鋅浸出率基本保持不變，因此浸出時間選擇為3 h。

圖5 浸出時間對浸出的影響

2.5 綜合試驗及浸出渣元素分析

根據(jù)單因素實驗，在溫度160 ℃、壓力1.2 MPa、始酸濃度130 g/L、浸出時間3 h 條件下，進行了銅煙灰加壓浸出綜合試驗，銅、鋅浸出率分別達到98.9%和97.8%。

對浸出渣進行了化學(xué)元素分析，結(jié)果如表3 所示。浸出渣中Cu、Zn 含量皆為微量，Pb、Fe、As 含量較高，可以作為鉛火法冶煉原料。

表3 浸出渣主要化學(xué)元素組成（質(zhì)量分數(shù)）/%

浸出液可通過除銅-除鐵-除錳-除鎘等凈化工序得到純凈的硫酸鋅溶液，再通過蒸發(fā)結(jié)晶制成一水硫酸鋅或七水硫酸鋅產(chǎn)品。

3 結(jié) 論

1） 采用氧壓浸出法處理銅冶煉底吹爐造锍熔煉過程中產(chǎn)生的銅煙灰，可有效浸出銅、鋅，實現(xiàn)銅煙灰中有價資源的回收。

2） 加壓浸出的最佳條件為：溫度160 ℃、壓力1.2 MPa、始酸濃度130 g/L、浸出時間3 h，該條件下銅、鋅浸出率可達到98.9%和97.8%，浸出效果好。