真空熱解工藝脫除金礦石中的砷鉛研究

陽建國(guó) 馬紅周 王致嫻 王耀寧 謝鴻蔚 王丁丁

（1.中國(guó)有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院；3.陜西省黃金與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

砷鉛對(duì)金礦石提金均產(chǎn)生不利影響。金礦中的砷主要以毒砂的形式存在，脫砷方法主要有焙燒氧化法［1-4］、溶液浸出法［5-6］、真空分解法［7-8］等。焙燒氧化法是將砷礦物中的砷轉(zhuǎn)變?yōu)锳s2O3氣體而脫除，溶液浸出法是將砷礦物中的砷轉(zhuǎn)入溶液而脫除，這2種方法均會(huì)產(chǎn)生二次污染物，需要進(jìn)一步處理。真空分解法是將礦物中的含砷成分分解并冷凝為砷或硫化砷［9］，由于真空分解過程可在封閉體系中完成，因而可控制污染物的無組織排放，對(duì)環(huán)境污染較小。在含硫金礦提金過程中，其中的鉛無法直接提取，為盡量消除鉛對(duì)提金的不利影響，普遍對(duì)金礦鉛含量提出嚴(yán)格要求。

本研究采用真空分解脫砷及真空碳熱還原鉛的方法分別對(duì)含硫金礦中砷的脫除及鉛的回收進(jìn)行了研究，即在低溫條件下進(jìn)行熱分解脫砷，脫砷后升溫回收礦物中的鉛，從而實(shí)現(xiàn)含砷鉛金礦中砷、鉛的分離提取。

1 試驗(yàn)原料

將含砷鉛金礦石碎至D90≤1 mm。試驗(yàn)原料主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，主要礦物組成見表2。

注：Au、Ag的含量單位為g/t。

從表2可以看出，原料中的主要含砷礦物為毒砂，含鉛礦物為方鉛礦。

2 主要礦物受熱分解分析

原料中的主要礦物為閃鋅礦、方鉛礦、毒砂、黃鐵礦、白云石等。真空分解硫化物產(chǎn)生的硫蒸氣中硫主要為S2［10］，ZnS在1 100℃無添加劑參與時(shí)無法分解［11］，黃鐵礦常壓下的分解溫度為400～800℃（最大分解反應(yīng)速度區(qū)間在600～700℃［12］。各主要硫化物的熱分解反應(yīng)式：

利用HSCchemistry 6.0計(jì)算反應(yīng)式（1）～（6）體系壓力為20 Pa時(shí)的△G—T圖，計(jì)算結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出，真空條件下6個(gè)反應(yīng)均可發(fā)生，硫化鉛的分解反應(yīng)溫度為900℃，硫化鋅的分解反應(yīng)溫度為1 000℃左右，硫化鉛直接揮發(fā)的溫度為900℃左右，硫化鉛在有碳與CaO參與條件下生成鉛蒸氣的反應(yīng)溫度為600℃左右，即硫化鉛在配入CaO后進(jìn)行碳還原可顯著降低硫化鉛生成鉛的溫度。因此，基于上述理論開展了含砷鉛硫化金礦石中砷、鉛的分離研究。

3 試驗(yàn)方法

（1）脫砷試驗(yàn)方法。在原料中配入質(zhì)量比1.5%的膨潤(rùn)土及2%的水，混合均勻后用20 MPa壓力壓制成φ20 mm×10 mm的圓柱體，在100℃下干燥4 h后備用。將烘干后的壓塊稱重后放入剛玉坩堝內(nèi)，坩堝放入管式爐內(nèi)后抽真空（20 Pa），加熱至一定溫度后保溫一定時(shí)間，然后隨爐冷卻至100℃時(shí)破真空，測(cè)定產(chǎn)物的質(zhì)量、主要成分含量，并計(jì)算脫砷率。

（2）脫鉛試驗(yàn)方法。在原料中配入質(zhì)量比1.5%的膨潤(rùn)土、2%的水和0.5%的蘭炭粉，混合均勻后用20 MPa壓力壓制成φ20 mm×10 mm的圓柱體，在100℃下干燥4 h后備用。將烘干后的壓塊稱重后放入剛玉坩堝內(nèi)，坩堝放入管式爐內(nèi)后抽真空（20 Pa），加熱至一定溫度后保溫30 min，然后隨爐冷卻至100℃時(shí)破真空，測(cè)定產(chǎn)物的質(zhì)量、主要成分含量，并計(jì)算脫砷率。將脫砷后的物料再置于真空爐內(nèi)（20 Pa），升溫至脫鉛溫度后保溫一定時(shí)間，然后隨爐冷卻至100℃時(shí)破真空，測(cè)定產(chǎn)物的質(zhì)量，分析鉛、砷含量，計(jì)算脫砷率和脫鉛率。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 真空加熱脫砷試驗(yàn)

干燥后的壓塊在600℃保溫一定時(shí)間，砷、硫脫除率試驗(yàn)結(jié)果見表3，保溫30 min后產(chǎn)物的主要礦物含量見表4。

4.2 真空加熱脫鉛試驗(yàn)

對(duì)600℃和900℃保溫30 min的脫砷、硫（圖2）產(chǎn)物繼續(xù)進(jìn)行脫鉛，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

4.3 結(jié)果分析

（1）產(chǎn)物中主要礦物在常壓及真空條件下的分解規(guī)律。根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算可得，常壓、無氧化劑參與、1 200℃以下礦物中毒砂和黃鐵礦可以分解，并且毒砂較黃鐵礦易分解；礦物中的方鉛礦和閃鋅礦不能分解；在真空度為20 Pa、1 200℃以下時(shí)，產(chǎn)物中的主要礦物隨溫度升高的分解順序?yàn)槎旧?、黃鐵礦、硫化鉛、硫化鋅；硫化鉛在1 000℃左右能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)硫化鉛；在有碳與CaO參與時(shí)，硫化鉛開始轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)鉛蒸氣的溫度為600℃左右，較硫化鉛直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)硫化鉛的溫度低。

（2）砷鉛脫除規(guī)律。在600℃可實(shí)現(xiàn)金礦中砷的脫除，渣中砷含量可降至0.2%以下，碳對(duì)礦物脫砷無影響，脫砷時(shí)鉛不會(huì)被脫除；有還原劑蘭炭粉情況下，鉛在900℃可有效脫除。白云石在527℃即可分解為MgO和CaO［13］，白云石分解產(chǎn)生的CaO會(huì)參與到PbS的還原揮發(fā)過程中，促進(jìn)鉛的揮發(fā)（反應(yīng)式（6））。

5 結(jié)論

（1）含砷鉛復(fù)雜金礦石中砷的脫除和鉛的回收可采用真空低溫除砷和高溫碳還原回收鉛的工藝，利用反應(yīng)溫度差異初步實(shí)現(xiàn)砷和鉛的分離。

（2）600℃情況下毒砂與黃鐵礦的分解可收集硫、砷混合物，脫砷后繼續(xù)升溫至900℃可以回收金屬態(tài)鉛。鉛的還原揮發(fā)機(jī)制為白云石分解產(chǎn)生的CaO參與到碳熱還原鉛的反應(yīng)中，實(shí)現(xiàn)硫化鉛在較低溫度下的還原揮發(fā)。