從銅轉爐煙灰中浸出銅、鋅試驗研究

侯新剛,張琰,張霞

(1.蘭州理工大學材料科學與工程學院,甘肅蘭州730050;2.蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料重點實驗室,甘肅蘭州730050)

從銅轉爐煙灰中浸出銅、鋅試驗研究

侯新剛1,2,張琰1,張霞1

(1.蘭州理工大學材料科學與工程學院,甘肅蘭州730050;2.蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料重點實驗室,甘肅蘭州730050)

研究了從銅火法冶煉中的銅轉爐煙灰中用硫酸浸出有價金屬。通過單因素試驗,確定了最佳浸出工藝條件。試驗結果表明：反應時間和液固體積質量比對銅、鋅浸出率影響較小,而硫酸濃度、反應溫度等因素則有較大影響;在攪拌速度300 r/min、反應溫度70℃、反應時間1.5 h、液固體積質量比7∶1、硫酸濃度1.80 mol/L條件下,鋅、銅浸出率均大于90%。

銅轉爐煙灰;硫酸;銅;鋅;浸出;單因素試驗

目前,國內用火法冶金技術提取的銅約占總銅產量的80%,以濕法冶金技術提取的銅約占總銅產量的20%[1-4]。在火法冶煉系統中,銅锍吹煉過程中,鋅、鉛、鉍等易揮發元素隨少量銅一起進入電收塵系統,形成銅轉爐煙灰。這部分煙灰隨銅锍一起返回轉爐吹煉系統時,會增加入爐原料的雜質含量,也使鋅、鉛、鉍等雜質在系統中不斷循環、積累,堵塞轉爐煙道,污染作業區空氣,而且產出的粗銅進入火法精煉工序后,對銅陽極板的質量有嚴重不良影響。因此,研究從銅轉爐煙灰中綜合回收有價金屬不僅有利于銅冶煉工藝的優化,也符合可持續發展的產業政策。目前,國內外處理銅轉爐煙灰有多種工藝[5-8],但都存在金屬回收率低、操作條件差、對環境有污染等問題。本試驗研究了用硫酸處理銅轉爐煙灰中,以濕法回收其中的銅和鋅,確定了浸出工藝條件。

1 試驗部分

1.1 試驗原理

硫酸浸出銅轉爐煙灰的主要反應如下：

1.2 試劑及儀器

試驗原料：銅轉爐煙灰取自北方某銅業公司,其主要成分和銅鋅物相分析見表1～2。

表1 銅轉爐煙灰主要化學成分的質量分數%

表2 銅轉爐煙灰中銅、鋅物相質量分數%

試劑：濃硫酸(分析純,山東雙雙化工試劑有限公司生產);蒸餾水(25℃,自制)。

儀器：HH-S數顯恒溫水浴鍋;JJ-6數顯直流恒速攪拌器(江蘇省金壇市醫療儀器廠提供);500 mL三頸圓底燒瓶;溫度計;布氏漏斗;SHB-B88型真空泵。

1.3 試驗方法

浸出試驗在500 mL三頸燒瓶中進行。將三頸燒瓶置于恒溫水浴鍋中,與電動攪拌器相連。按一定液固體積質量比加入稀釋后的硫酸溶液,開啟攪拌器并加熱,達到預定溫度后,迅速加入銅轉爐煙灰。浸出過程中,嚴格控制反應溫度,攪拌速度控制在300 r/min。浸出后用布氏漏斗和真空泵過濾分離。分析浸出液中銅、鋅質量濃度,用下列公式計算浸出率：

其中：r為元素浸出率,%;ρ為浸出液中元素的質量濃度,g/L;V為浸出液體積,L;m為銅轉爐煙灰質量,g;w為銅轉爐煙灰中各元素質量分數,%。

1.4 分析方法

銅離子質量濃度采用碘量法滴定測定;鋅離子質量濃度采用EDTA滴定法測定。

2 試驗結果與分析

2.1 硫酸濃度對銅、鋅浸出率的影響

試驗條件：溫度70℃,攪拌速度300 r/min,浸出時間1.5 h,液固體積質量比7∶1。硫酸濃度對銅、鋅浸出率的影響如圖1所示。

圖1 初始硫酸濃度對銅、鋅浸出率的影響

從圖1看出,硫酸濃度對銅、鋅浸出率影響較大：隨硫酸質量濃度增大,銅、鋅浸出率增大明顯;硫酸濃度增大到1.80 mol/L后,銅、鋅浸出率變化不明顯。這是因為初始酸度越大,H+濃度越高,H+與煙灰顆粒表面接觸發生反應幾率越大,也就越有利于銅、鋅浸出;隨反應的進行,H+不斷消耗,浸出液p H值增大,鋅、鎘等離子發生水解沉淀,使浸出反應難以繼續進行。因此,浸出過程中,須加入過量稀硫酸阻止鋅、鎘離子的水解沉淀;硫酸濃度較大時,轉爐煙灰中的銅、鋅等元素有可能被難溶反應產物PbSO4包覆而無法與酸接觸,影響銅、鋅的浸出。綜合考慮,初始硫酸濃度以1.80 mol/L為宜。

2.2 溫度對銅、鋅浸出率的影響

試驗條件：硫酸濃度1.80 mol/L,攪拌速度300 r/min,浸出時間1.5 h,液固體積質量比7∶1。溫度對銅、鋅浸出率的影響如圖2所示。

圖2 浸出溫度對銅、鋅浸出率的影響

從圖2看出：升高溫度有利于銅、鋅浸出;70℃時,銅、鋅浸出率均超過90%;但溫度超過70℃后,銅、鋅浸出率變化不大,且水分揮發加劇。溫度升高,銅轉爐煙灰中酸溶物質在溶液中的溶解度增大,表面擴散層厚度相應減薄,硫酸容易通過擴散層達到銅轉爐煙灰表面與金屬化合物發生反應,同時也有利于反應產物通過擴散層離開其表面,從而使浸出速率加快,銅、鋅浸出率提高。隨溫度升高,煙灰表面擴散層厚度趨于一個最小值,銅、鋅浸出率趨于穩定。綜合考慮,溫度以70℃為最佳。

2.3 浸出時間對銅、鋅浸出率的影響

試驗條件：硫酸濃度1.80 mol/L,攪拌速度300 r/min,溫度70℃,液固體積質量比7∶1。浸出時間對銅、鋅浸出率的影響如圖3所示。

圖3 浸出時間對銅、鋅浸出率的影響

可以看出：隨浸出時間延長,銅、鋅浸出率變化不大;反應進行1.5 h后,銅、鋅浸出率均達90%以上;浸出時間超過1.5 h后,銅、鋅浸出率基本不再變化。這是由于反應前期,溶液中H+濃度較高,反應速度較快,銅、鋅浸出很快達到平衡。因此,浸出時間以1.5 h為最佳。

2.4 液固體積質量比對銅、鋅浸出率的影響

試驗條件：硫酸濃度1.80 mol/L,攪拌速度300 r/min,浸出時間1.5 h,浸出溫度70℃。液固體積質量比對銅、鋅浸出率的影響如圖4所示。

圖4 液固體積質量比對銅、鋅浸出率的影響

由圖4看出：液固體積質量比在7∶1以下,隨液固體積質量比的增大,銅、鋅浸出率有所增大。這是因為液固體積質量比較低時,液固多相反應進行不充分,反應產物易呈漿狀;液固體積質量比提高,反應物中H+絕對數量加大,液固多相反應更充分,有利于銅、鋅的浸出。液固體積質量比大于7∶1后,銅、鋅浸出率變化不大,說明此時浸出反應(1)～(6)已比較完全,繼續提高液固體積質量比無益于銅、鋅的浸出,且從工業生產的角度考慮,也會增加原始設備的投資。綜合考慮,確定最佳液固體積質量比為7∶1。

2.5 綜合試驗

試驗條件：硫酸濃度1.80 mol/L,攪拌速度300 r/min,浸出時間1.5 h,浸出溫度70℃,液固體積質量比7∶1。試驗結果表明：在最優條件下,銅浸出率達91.3%,鋅浸出率達96.7%。浸出渣的能譜分析結果表明,渣中大量存在的是硫酸鉛、石英及硅酸鐵,表明酸浸出后有價金屬幾乎全被浸出,而鐵、鉛進入渣中。

3 結論

用硫酸作浸出劑處理銅轉爐煙灰,可將其中的銅、鋅完全浸出,實現同轉爐煙灰的綜合利用。在硫酸濃度1.80 mol/L、攪拌速度300 r/min、浸出時間1.5 h、浸出溫度70℃、液固體積質量比7∶1最優條件下,銅浸出率為91.3%,鋅浸出率為96.7%。

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Abstract:The leaching of copper and zinc from copper converter dust with sulfuric acid was investigated by single-factor experiments.The results indicated that on leaching of copper and zinc,sulfuric acid concentration and reaction temperatures had obvious effect,while reaction time and ratio of liquid to solid showed a negligible effect.Leaching of copper and zinc was more than 90%at the conditations of sulfuric acid concentration of 1.80 mol/L and 70℃for 1.5 hour,the liquid/solid ratio of 7∶1 and stirring speed of 300 r/min.

Key words:copper converter dust;sulfuric acid;copper;zinc;leaching;single-factor experiment

Leaching of Copper and Zinc From Copper Converter Dust With Sulfuric Acid

HOU Xin-gang1,2,ZHANG Yan1,ZHAN G Xia1
(1.School of Materials Science and Engineering,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou,Gansu 730050,China;2.State Key Laboratory of Gansu A dvanced Non-f errous Metal Materials,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou,Gansu730050,China)

X756;TF803.21

A

1009-2617(2011)01-0057-03

2010-07-15

侯新剛(1958-),男,陜西楊陵人,教授級高級工程師,主要研究方向為冶金二次資源的綜合利用。