銅冶煉過程中金屬鎘元素的分布及控制工藝探析

楊 丹

（江西銅業(yè)股份有限公司，江西 南昌 330013）

1 引言

在銅冶煉過程中，會分離出許多其它化學(xué)元素，包括硒、砷、汞和鎘等，其中，金屬鎘是國民經(jīng)濟(jì)的重要原材料，但同時(shí)金屬鎘的不當(dāng)流出也會對自然環(huán)境產(chǎn)生巨大的危害，包括對空氣、土壤、水質(zhì)的影響。因而，了解銅冶煉過程中金屬鎘的分布狀態(tài)，有助于總結(jié)出金屬鎘在冶煉過程中提取或者排放的控制工藝，為我國生產(chǎn)制造企業(yè)的冶煉過程中進(jìn)行相關(guān)化學(xué)元素的分離、提取和有效控制提供具有實(shí)踐意義的借鑒。

2 銅冶煉的工藝分析

當(dāng)下，銅冶煉主要有兩種方法，分別為火法冶煉和濕法冶煉。前者是通過冶煉鍋爐加熱的形式進(jìn)行金屬礦物的冶煉，后者則是通過加入可以同金屬礦物發(fā)生化學(xué)作用的化學(xué)元素來提取金屬礦物質(zhì)的方式。

2.1 銅火法

火法冶金銅冶煉涉及以黃銅礦為主要原料的焙燒、冶煉、吹煉和精煉等工序［1］。

（1）焙燒。焙燒冶煉過程又包括了半氧化焙燒過程和全氧化焙燒過程。通過這種焙燒冶煉，可以去除原本精礦中的一些硫化物質(zhì)和其他揮發(fā)性雜質(zhì)，比如砷元素和銻元素。

（2）冶煉。銅火法的冶煉過程是以冰銅冶煉為主要手段，通過利用脈石、溶劑等造渣方法，將銅精礦或者焙燒礦中的部分鐵元素進(jìn)行氧化，從而生產(chǎn)出含銅量較高的冰銅。

（3）吹煉。吹煉工藝的主要目的是為了去除冶煉過程中的煙灰，從而能夠較好地對冶煉過程中產(chǎn)生的硫物質(zhì)進(jìn)行回收。

（4）精煉。精煉過程主要是為了利用冶煉過程中的一些雜質(zhì)元素的氧化作用，并且氧化物不溶于銅液的原理，使得冶煉出來的銅精度更高。當(dāng)前精煉過程又主要有火法精煉和電解精煉兩種方式。

2.2 銅濕法

銅濕法也是銅冶煉的一種較為常見的方式，通常主要分為兩個(gè)步驟分別進(jìn)行，即浸銅過程和收集過程。

（1）浸銅過程。浸銅過程是銅濕法的第一個(gè)步驟，是指將含銅的鐵物質(zhì)放在膽礬溶液中，通過化學(xué)反應(yīng)將鐵物質(zhì)中的銅離子置換出來經(jīng)過沉積作用形成單質(zhì)銅。

（2） 收集過程。收集過程是銅濕法的第二個(gè)步驟，是指對前一步驟中沉淀的單質(zhì)銅粉進(jìn)行收集，然后再經(jīng)過熔煉和鑄造過程，形成銅礦。

銅濕法的銅粉收集工藝手法在當(dāng)下的煉銅方法中主要有以下三種具體的方法，分別為茅席吸附法、鐵片置換法和煎熬法［2］。

（1）茅席吸附法。是指在浸銅步驟中，在膽水槽底部鋪上一層茅席，將需要進(jìn)行銅提取的鐵片雜碎放入茅席上浸泡，時(shí)間一長，發(fā)生化學(xué)作用后的單質(zhì)銅粉就會全部沉積在茅席上，在進(jìn)行完全的浸泡后將茅席取出，可以直接收集上面的銅粉。

（2）鐵片置換法。是指將需要進(jìn)行銅提取的鐵片鍛打成薄片，利用膽水浸泡過程中增加鐵片化學(xué)反應(yīng)面的原理，使得鐵片上的銅物質(zhì)能和膽水最大面積發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而加速銅粉的沉積過程。

（3）煎熬法。是指直接以需要進(jìn)行銅提取的鐵作為容器，在鐵容器中加入膽水，通過鐵和膽水的不斷直接化合反復(fù)作用，一定時(shí)間后就會直接形成單質(zhì)銅沉積，也就是所謂的銅粉生成了。

3 金屬鎘的來源及其化合物形態(tài)

3.1 金屬鎘的來源

金屬鎘是非常稀有的有色金屬礦物元素，是Ni-Cd充電電池的重要原材料之一，同時(shí)也是一種劇毒物質(zhì)，在當(dāng)前我國的“三廢”排放標(biāo)準(zhǔn)中，金屬鎘的排放位列第一位［3］。并且金屬鎘在經(jīng)過排放以后，由于其具有較強(qiáng)的蓄積性，因而在排出后如果污染了植物土壤等，會很難排出，以致引發(fā)慢性中毒。所以了解金屬鎘在銅冶煉過程中的具體分布狀態(tài)及其產(chǎn)生的化合物形態(tài)，有效回收金屬鎘并控制其排放標(biāo)準(zhǔn)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義，這也是相關(guān)領(lǐng)域?qū)︺~冶煉過程中金屬鎘的走向進(jìn)行分析的最重要原因。

在銅冶煉過程中，金屬鎘由于物理燃燒會產(chǎn)生不同的化合物形態(tài)，主要包括硫鎘礦物，這種化合物在銅、鋅、鉛等礦物的冶煉過程中都會產(chǎn)生［4］。金屬鎘在進(jìn)性浮選時(shí)主要進(jìn)入精礦中，而在進(jìn)行焙燒過程中，則會廣泛地存在于煙塵或爐渣中。隨著生產(chǎn)制造企業(yè)的不斷發(fā)展，通過冶煉方式提取各種礦物質(zhì)的需求也日益上漲，這也意味著對金屬鎘這一類化學(xué)物質(zhì)的排放量也會大幅提升，使得環(huán)境中的鎘污染程度急速加劇，因而，在科技發(fā)展的同時(shí)，不斷探討對于這類化學(xué)元素在冶煉或者其他回收提取過程中的分布走向，從而掌握正確的回收工藝和排放控制工藝是十分重要的。

3.2 銅冶煉中金屬鎘的化合物形態(tài)

在銅冶煉過程中，常見的金屬鎘這一類有色金屬硫化礦的焙燒煙塵中主要成分分布如表1。濕法煉銅中金屬鎘的化合物形態(tài)見表2。

表1 火法冶煉中各類金屬元素分布 %

表2 濕法冶煉中各類金屬元素分布 %

4 兩種煉銅工藝中金屬鎘的走向分布

在進(jìn)行兩種方式的銅冶煉過程中，由于所選取的原料銅精礦中都會存在一定含量的金屬鎘，而在進(jìn)行火法或者濕法煉銅過程中，都會導(dǎo)致這一部分的金屬鎘產(chǎn)生揮發(fā)或者脫離原來的銅精礦料［5］，在進(jìn)行排出時(shí)都可能會對空氣或者土壤及水質(zhì)環(huán)境等造成較大的危害，因而需要對這兩種煉銅方式中脫離出來的金屬鎘的分布狀態(tài)進(jìn)行深入分析。

4.1 火法煉銅中金屬鎘的走向分布

在利用銅火法對粗銅礦進(jìn)行精煉期間，產(chǎn)生的金屬鎘元素一部分會以氣體形式直接排放到空氣中，而另一部分的金屬鎘元素則會和銅爐中的其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并生成新的化合物質(zhì)，這些化合物又都溶于銅液，因而很難進(jìn)行完全脫除。見表3。

表3 火法冶煉中金屬鎘走向分布

從銅火法的精煉銅表中可以發(fā)現(xiàn)，火法煉銅過程中，金屬鎘的排出能力較差，同時(shí)還會使得大量的含金屬鎘有害氣體排放到空氣中，不僅會對環(huán)境造成巨大污染，還會嚴(yán)重影響煉銅的有效性。

4.2 濕法煉銅中金屬鎘的走向分布

在濕法煉銅中，主要通過將原料銅精礦在可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的液體中進(jìn)行電解。經(jīng)過電解液電解工序以后，可以使得銅精礦中原有的部分有害金屬元素經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后生成新的礦物質(zhì)。而經(jīng)過雜質(zhì)脫離后的銅精礦也生成了新的銅物質(zhì)，如電積銅、黑銅泥、粗制硫酸銅和二次終液，而銅精礦中的金屬鎘等化學(xué)元素也在化學(xué)作用下進(jìn)行了基本脫除?？梢哉f，銅精礦經(jīng)過電解工藝后基本完成了對礦料中的原有雜質(zhì)的脫除，生成含銅量極高的純陰極銅。銅濕法精煉過程中金屬鎘元素的走向分布情況可以參見表4。

表4 濕法冶煉中金屬鎘走向分布

從上述濕法煉銅電解工藝中可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過了電解工藝后，銅精礦中的銅礦物質(zhì)占比已經(jīng)非常高了，而金屬鎘元素也幾乎發(fā)生了完全脫離。通過電解工藝后的金屬鎘也會發(fā)生較大變化，約70%進(jìn)入黑銅泥，13%進(jìn)入陽極泥，12%留在殘極。

5 在銅冶煉過程中的金屬鎘控制工藝探析

5.1 銅火法冶煉

在銅冶煉過程中，對銅精礦中的其它金屬雜質(zhì)進(jìn)行脫離，主要是將冶煉過程中生成的金屬雜質(zhì)以爐渣沉積或者氧化氣體排放兩種手段進(jìn)行處理，而通過這兩種除雜手段，會使得銅精礦經(jīng)過冶煉后排出大部分的雜質(zhì)金屬，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，也要注意這兩種排放方式會對環(huán)境造成的危害［6］。而通過對銅冶煉過程的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行有效分析和控制，則會大大降低雜質(zhì)產(chǎn)生的數(shù)量，同時(shí)通過合理有效的集塵方法和排放標(biāo)準(zhǔn)控制，可以有效降低產(chǎn)生的有害金屬物質(zhì)的對外排出和環(huán)境污染，比如采用集塵、金屬雜質(zhì)的渣濃縮和還原過程等。在火法銅冶煉過程中，大部分的金屬鎘元素脫除后可以得到有效的排放控制，而通過多段陽極精煉的工藝處理，也會使得熔煉過程中產(chǎn)生的金屬雜質(zhì)微量元素產(chǎn)出率下降。

5.2 銅濕法冶煉

由上述可知，銅濕法冶煉是目前銅冶煉過程中較為安全高效的銅提取工藝，通過這種冶煉方式，可以對冶煉過程中的煙塵、金屬雜質(zhì)廢渣進(jìn)行有效綜合回收，而電解過程也會使得銅精礦中的金屬鎘元素實(shí)現(xiàn)基本脫離，也方便對脫離后的金屬鎘元素進(jìn)行回收處理［7］。當(dāng)下，利用浸銅法進(jìn)行金屬鎘及其它金屬雜質(zhì)的排出是較為常見的手段，而其中對于金屬鎘的排出工藝更是對金屬雜質(zhì)排出控制的重中之重。現(xiàn)有的銅濕法冶煉過程中的金屬鎘脫離控制工藝主要是采用石灰中和、硫化物沉浸和鹽鐵沉淀等三種手段，可以起到對金屬鎘的有效排出和提取控制。在未來，也需要對銅提取過程中的金屬雜質(zhì)排出工藝進(jìn)行不斷改良，以期實(shí)現(xiàn)更有效的金屬雜質(zhì)排放控制。

6 結(jié)論

在銅冶煉過程中，有色金屬無論是氣體排出還是液體排出都會對環(huán)境造成巨大的污染，而其中金屬鎘就是銅冶煉過程中會造成環(huán)境污染的重要化學(xué)元素之一，如果不對金屬鎘的排出進(jìn)行有效控制和處理，在造成環(huán)境污染的同時(shí)還可能危害到冶煉人員的身體健康，因而需要不斷優(yōu)化銅冶煉過程中對于有色金屬的控制排出工藝，實(shí)現(xiàn)銅冶煉的綠色環(huán)保發(fā)展。