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(tǒng)中,銅锍吹煉過程中,鋅、鉛、鉍等易揮發(fā)元素隨少量銅一起進入電收塵系統(tǒng),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(tǒng)時,會增加入爐原料的雜質含量,也使鋅、鉛、鉍等雜質在系統(tǒng)中不斷循環(huán)、積累,堵塞轉爐煙道,污染作業(yè)區(qū)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(yōu)化,也符合可持續(xù)發(fā)展的產業(yè)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(huán)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(yè)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(yī)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(fā)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(fā)生水解沉淀,使浸出反應難以繼續(xù)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(fā)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(fā)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(wěn)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(xù)提高液固體積質量比無益于銅、鋅的浸出,且從工業(yè)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(yōu)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(yōu)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。