彭 俊,王學文,王明玉,肖彩霞,施麗華
(中南大學 冶金科學與工程學院,長沙 410083)
從鎳鉬礦中提取鎳鉬的工藝
彭 俊,王學文,王明玉,肖彩霞,施麗華
(中南大學 冶金科學與工程學院,長沙 410083)
針對現行鎳鉬礦處理工藝存在的鉬鎳需要分別提取的缺陷,提出鎳鉬礦加鈣氧化焙燒?低溫硫酸化焙燒?水浸提取鎳鉬的新工藝。以貴州遵義鎳鉬礦為原料,對CaO加入量、氧化焙燒溫度、氧化焙燒時間、硫酸加入量、硫酸化焙燒溫度、硫酸化焙燒時間以及焙砂水浸工藝參數對鎳鉬浸出率的影響進行研究。結果表明:在最佳工藝條件下,鉬的浸出率為97.33%,鎳的浸出率為93.16%,且最佳工藝參數為100 g鎳鉬礦加入35 g CaO,700 ℃氧化焙燒2 h,得到的焙砂加入70 mL濃硫酸,再經250 ℃硫酸化焙燒2 h;硫酸化焙燒得到的焙砂按液固比2:1加水攪拌,經98 ℃浸出2 h。加入CaO不僅能有效減少鎳鉬礦氧化焙燒煙氣對環(huán)境造成的污染,而且能顯著提高鎳的浸出率。
鎳鉬礦;氧化焙燒;硫酸化焙燒;水浸
鎳、鉬是重要的戰(zhàn)略金屬,廣泛應用于冶金、噴涂、電子等行業(yè)[1?3]。鎳鉬礦屬于沉積型黑色頁巖型礦床,主要分布在我國貴州遵義、湖南張家界、湖北都昌、云南曲靖和浙江富陽等地[4?6]。鎳鉬礦是一種多金屬復合礦,其中鉬含量約為0.35%~8.17%,主要以碳硫鉬礦的形式存在;鎳含量約為0.17%~7.03%,主要以硫鎳礦、硫鐵鎳礦、針鎳礦等形式存在[7]。由于其成分復雜,品位相對較低,采用物理及化學選礦技術很難將其中有用組分進行富集和分離[8?10]。
目前,鎳鉬礦處理工藝主要有焙燒?礦熱爐熔煉?Ni-Mo-Fe合金[11],氧化焙燒?堿浸[12],碳酸鈉轉化處理[13],氧化焙燒?N2CO3+NaOH浸出[14],焙燒活氧堿浸出[15],NaOH/NaClO直接浸出等工藝提取鉬[16?17],但鎳留在渣中需要做進一步處理回收。焙燒?礦熱爐熔煉?Ni-Mo-Fe合金工藝雖然具有工藝簡單、加工成本低且鉬鎳能同時回收的優(yōu)點,但只能得到初級產品,需進一步加工處理回收鎳和鉬。
為了同時回收鎳鉬礦中的鎳和鉬,縮短工藝流程,保護環(huán)境,降低生產成本和提高資源利用率,本文作者采用鎳鉬礦加鈣氧化焙燒?低溫硫酸化焙燒?水浸的鎳鉬提取工藝,對鎳鉬礦焙燒和水浸工序進行系統(tǒng)研究。
1.1 實驗原料
實驗所用原料為貴州遵義鎳鉬礦,其主要化學成分XRF分析結果列于表1。從表1可以看出,鎳鉬礦中硫含量較高。為同時提取鎳鉬礦中鎳和鉬,并防止鎳鉬礦氧化焙燒產生的煙氣對環(huán)境造成污染,實驗采用了鎳鉬礦加鈣氧化焙燒?低溫硫酸化焙燒?水浸的礦物分解工藝。實驗所用的石灰為分析純CaO,硫酸為分析純98%的濃硫酸,實驗分析所用的試劑均為分析純。

表1 鎳鉬礦主要化學成分Table 1 Chemical composition of Ni-Mo ore (mass fraction,%)
1.2 實驗裝置
試驗裝置主要包括GM/F97密封式化驗制樣粉碎機;電熱馬弗爐;電子恒速攪拌器;真空抽濾設備;電熱恒溫干燥箱。
1.3 實驗過程
將鎳鉬礦與一定量的CaO混勻磨至粒徑小于75 μm,裝入陶瓷缽內,放進馬弗爐在預定溫度下進行氧化焙燒;待氧化焙砂冷卻至室溫后,加入一定量的濃硫酸拌勻熟化2 h后,放進馬弗爐在預定溫度下進行低溫硫酸化焙燒;低溫硫酸化得到的焙砂再按一定液固比加入燒杯中水浸,電爐加熱攪拌浸出,攪拌速度控制為500 r/min;浸出結束料漿真空抽濾,濾渣烘干稱量,分別測定濾液和濾渣中鉬、鎳的含量。鉬的分析用硫氰酸銨比色法,鎳的分析用丁二酮肟分光光度法。
2.1 鎳鉬礦加鈣氧化焙燒
2.1.1 CaO加入量對鎳鉬浸出率的影響
圖1所示為100 g鎳鉬礦粉加入一定量的CaO混勻磨細,700 ℃下氧化焙燒2 h;氧化焙砂冷卻至室溫后,加入 70 mL濃硫酸拌勻,室溫熟化 2 h后,再250 ℃下焙燒2h;焙砂按液固比2:1加水,98 ℃攪拌浸出2 h得到的實驗結果。圖1顯示,鎳的浸出率隨CaO加入量的增加而增加,當 CaO的加入量增加到35g左右,鎳浸出率達到最大值93.13%;之后,繼續(xù)增大CaO的加入量,鎳的浸出率基本保持不變;但是,當CaO加入量增大到50 g以后,鎳的浸出率隨CaO加入量的增加而下降。鉬的浸出率在CaO的加入量為20 g時已經達到最大值98.35%,之后,隨著CaO加入量的增加略有下降,當CaO加入量超過50g之后,鉬的浸出率也隨CaO加入量增加而下降。實驗發(fā)現,CaO的加入量超過50 g之后,浸出液的pH值顯著上升。這說明100 g鎳鉬礦粉CaO的加入量超過50 g已有過量,過量的CaO消耗硫酸,使鎳鉬與酸反應不完全,故鎳鉬浸出率都隨著CaO加入量增加而下降。因此,100 g鎳鉬礦粉加入35 g CaO為宜。

圖1 CaO加入量對鎳鉬浸出率的影響Fig. 1 Effect of CaO addition on leaching rate of metals
研究發(fā)現,當100 g鎳鉬礦粉加入35 g CaO混勻磨細,700 ℃氧化焙燒時,煙氣中SO2的最大濃度為1 073 mg/m3,已低于工業(yè)廢氣中SO2的排放標準。此外,若鎳鉬礦未加CaO氧化焙燒得到的焙砂經硫酸化焙燒后水浸,鎳的浸出率最多也只有80%左右[18]。因此,CaO的加入量不僅能有效減少鎳鉬礦氧化焙燒時對環(huán)境造成的污染,而且能顯著提高鎳的浸出率。2.1.2 氧化焙燒溫度對鎳鉬浸出率的影響
圖2所示為加鈣氧化焙燒溫度對鎳鉬浸出率的影響。實驗條件為100 g鎳鉬礦粉加入35 g CaO混勻磨細,在指定溫度下氧化焙燒2 h;待焙砂冷卻至室溫,加入70 mL的濃硫酸拌勻熟化2 h后,于250 ℃焙燒2 h;焙砂按液固比2:1加水攪拌,在98 ℃浸出2h。在500~700 ℃的溫度區(qū)間,鎳和鉬的浸出率均隨著焙燒溫度的升高而增大;達到700 ℃時,鎳和鉬的浸出率分別為 93.16%和 97.42%;繼續(xù)提高焙燒溫度,鉬的浸出率有所降低,鎳浸出率變化不大。這說明在500~700 ℃的溫度區(qū)間,鎳鉬礦氧化焙燒反應速度隨溫度的升高而增大。實驗發(fā)現,溫度超過750 ℃物料明顯燒結,這不利于鉬的氧化,從而導致鉬的浸出率下降,因此在后續(xù)的實驗中鎳鉬礦氧化焙燒溫度定為700 ℃。
2.1.3 焙燒時間對鎳鉬浸出率的影響
圖3所示為焙燒時間對鎳鉬浸出率的影響。實驗數據獲得的條件如下:100 g鎳鉬礦粉加入35 g CaO混勻磨細,在700 ℃下氧化焙燒一定時間;待焙砂冷卻至室溫,加入70 mL的濃硫酸拌勻,熟化2 h后在250 ℃下焙燒2 h;焙砂按液固比2:1加水攪拌,98 ℃浸出2 h。從圖3可以看出,在0.5~2 h的范圍內,鎳和鉬的浸出率都隨焙燒時間的延長而增大,當焙燒時間為 2 h時,鎳和鉬的浸出率分別達到 93.21%和97.36%,繼續(xù)延長焙燒時間,鎳和鉬的浸出率變化不大,所以2 h是最佳的焙燒時間。

圖2 加鈣氧化焙燒溫度對鎳鉬浸出率的影響Fig. 2 Effect of calcification roasting temperature on leaching rates of metals

圖3 加鈣氧化焙燒時間對鎳鉬浸出率的影響Fig. 3 Effect of calcification roasting time on leaching rates of metals
2.2 低溫硫酸化焙燒
2.2.1 硫酸加入量對鎳鉬浸出率的影響
156 g加鈣氧化焙砂(最佳焙燒條件下,100 g鎳鉬礦粉加入35 g CaO得到的焙砂質量為156 g)加入一定量的濃硫酸拌勻熟化2 h后,放進馬弗爐250 ℃焙燒2 h;焙砂按液固比2:1加水攪拌,98 ℃浸出2 h。圖4所示為硫酸加入量與鎳鉬浸出率的關系。由圖4可看出,濃硫酸用量在50 mL之前,鎳和鉬的浸出率都隨硫酸用量的增加而顯著增大;之后,繼續(xù)增加硫酸用量,鎳和鉬的浸出率的增幅變小。當硫酸用量為70 mL時,鎳和鉬的浸出率分別達到93.16%和97.23%。實驗發(fā)現,當硫酸用量大于70 mL之后,雖然鎳和鉬的浸出率還會略有增大,但雜質Fe和Al等大量浸出,這給后續(xù)的鎳、鉬回收帶來困難。因此,濃硫酸的加入量被定為100 g鎳鉬礦粉加入70 mL。

圖4 硫酸加入量對鎳鉬浸出率的影響Fig. 4 Effect of sulphuric acid volume on leaching rates of metals
2.2.2 硫酸化焙燒溫度對鎳鉬浸出率的影響
圖5所示為最佳焙燒條件下得到的156 g加鈣氧化焙砂加入70 mL濃硫酸拌勻熟化2 h后,放進馬弗爐在預定溫度下焙燒 2 h,焙砂按液固比 2:1加水攪拌,于98 ℃浸出2 h得到的實驗結果。由圖5可以看出,當溫度為100~250 ℃時,鎳和鉬的浸出率都隨溫度升高而增大,250 ℃左右時,鎳和鉬的浸出率達到最大,分別為 93.18%和 97.21%,之后,鎳和鉬的浸出率均隨焙燒溫度的升高而減小。這是因為在100~250 ℃時,硫酸與加鈣氧化得到的焙砂反應速度隨溫度的升高而增大,在一定的焙燒時間內,焙燒反應隨溫度升高趨于完全;當焙燒溫度升至250 ℃以上時,由于硫酸的分解和揮發(fā),造成硫酸的有效利用率降低,進而導致鎳和鉬的浸出都下降,故硫酸化焙燒的最佳溫度為250 ℃。常規(guī)硫酸化焙燒的溫度一般為550~650 ℃,因此本研究采用的是低溫硫酸化焙燒。

圖5 硫酸化焙燒溫度對鎳鉬浸出率的影響Fig. 5 Effect of sulphation roasting temperature on leaching rates of metals
2.2.3 硫酸化焙燒時間對鎳鉬浸出率的影響
圖 6所示為硫酸化焙燒時間對鎳鉬浸出率的影響。實驗條件如下:將156 g加鈣氧化焙砂加入70 mL濃硫酸拌勻熟化2 h后,放進馬弗爐250 ℃焙燒一段時間,焙砂按液固比2:1加水攪拌,于98 ℃浸出2 h。由圖6可以看出,250 ℃的溫度下硫酸化焙燒的反應速度很快,在0.5~2.0 h的時間區(qū)間內,鎳和鉬的浸出率隨硫酸化焙燒時間的延長增幅較小;焙燒1 h后,鎳和鉬的浸出率分別達到93.05%和97.13%;焙燒2 h后,鎳和鉬的浸出率分別為 91.86%和 97.13%。繼續(xù)延長焙燒時間,鎳和鉬的浸出率都幾乎不變,故硫酸化焙燒的最佳時間為2 h。
2.3 水浸
2.3.1 浸出溫度對鎳鉬浸出率的影響

圖6 硫酸化焙燒時間對鎳鉬浸出率的影響Fig.6 Effect of sulphation roasting time on leaching rates of metals

圖7 浸出溫度對鎳鉬浸出率的影響Fig. 7 Effect of water leaching temperature on leaching rates of metals
圖7 所示為最佳工藝條件下得到的硫酸化焙燒的焙砂,按液固比2:1加水攪拌,在預定溫度下浸出2 h得到的實驗結果。從圖7可以看出,焙砂中的鎳和鉬較容易浸出,其浸出率都隨溫度的升高緩慢增加, 但浸出溫度對鎳浸出率的影響要明顯大于對鉬的影響;當浸出溫度到達 98 ℃時,鎳和鉬的浸出率分別達到93.12%和97.21%。鉬、鎳的浸出過程實際上是其硫酸鹽的溶解過程,溫度的升高有利于硫酸鹽的溶解,所以在一定浸出時間內溫度越高,鎳和鉬的浸出率越高。
2.3.2 液固比對鎳鉬浸出率的影響
圖8所示為硫酸化焙燒得到的焙砂98 ℃浸出2 h液固比對鎳鉬浸出率的影響。由圖8可以看出,液固比由1:1增至2:1,鎳和鉬的浸出率分別由91.58%和95.41%升至93.15%和97.25%,此時,浸出液的pH≈1,說明低溫硫酸化焙燒過程酸的利用率很高;之后,繼續(xù)增大液固比,鎳和鉬的浸出率都顯著減小。這是因為液固比太小,硫酸鹽溶解困難;液固比增大到2:1之后,隨著液固比增大,浸出液的酸度隨之降低,浸出液中的Fe3+等雜質水解造成鎳和鉬的浸出率下降。因此,水浸液固比選2:1為宜。

圖8 液固比對鎳鉬浸出率的影響Fig. 8 Effect of liquid to solid ratio on leaching rates of metals
2.3.3 浸出時間對鎳鉬浸出率的影響
圖 9所示為硫酸化焙燒得到的焙砂按液固比 2:1加水98 ℃浸出得到的實驗結果。從圖9可以看出,在0.5~2 h內,鎳和鉬的浸出率都隨浸出時間的延長急劇增大;浸出 2 h后,鎳和鉬的浸出率分別達到93.15%和97.21%,基本達到最大值;之后,繼續(xù)延長浸出時間,由于鐵、硅等水解造成鎳和鉬的浸出率均有不同程度的下降。因此,浸出時間應選擇2 h較合適。

圖9 水浸時間對鎳鉬浸出率的影響Fig. 9 Effect of water leaching time on leaching rates of metals
2.4 鎳鉬提取過程晶相變化
圖 10所示為鎳鉬礦處理過程的 XRD譜。從圖10(a)可以看出,原礦中存在的礦相為石英(SiO2)、黃鐵礦(FeS2)、鉀云母(K(Al,V)2(Si,Al)4O10(OH)2)、方解石(CaCO3)和羥磷灰石(Ca5(PO4)3OH),不存在鎳和鉬的晶相,也就是說鎳和鉬都是以非晶態(tài)形式存在。由圖10(b)可看出,經加鈣氧化焙燒后,鎳鉬礦中的黃鐵礦、鉀云母及方解石晶相均消失,并產生了赤鐵礦、熟石膏、鉬鈣礦及氧化鎳的新物相。比較圖10(b)和(c)可以看出,經低溫硫酸化焙燒后,焙砂中只留下熟石膏(CaSO4)和石英(SiO2) 的晶相,鉬鈣礦、氧化鎳、赤鐵礦和羥磷灰石晶相都消失。再經水浸后,浸出渣中含有熟石膏(CaSO4)、生石膏(Ca(SO4)(H2O)2)和石英(SiO2)(見圖 10(d))。由此看出,鎳、鉬等在低溫硫酸化焙燒過程形成了非晶態(tài)的硫酸鹽:

2.5 綜合性試驗
根據最佳實驗條件進行了綜合性實驗。實驗過程如下:先將105 g CaO 加入300 g鎳鉬礦粉混勻磨細,放進馬弗爐700 ℃氧化焙燒2 h;焙砂冷卻后焙砂分成3等份,每份加入70 mL濃硫酸拌勻熟化2 h,再放進馬弗爐250 ℃焙燒2 h;焙砂按液固比2:1加水攪拌,98 ℃浸出2 h,攪拌速度為500 r/min。實驗得到的結果列于表2。表2顯示,在最佳工藝條件下,鎳鉬礦經加鈣氧化焙燒?低溫硫酸化焙燒?水浸后,鎳和鉬的浸出率分別可達93.16%和97.33%。

圖10 鎳鉬礦處理過程的XRD譜Fig. 10 XRD patterns of experimental samples: (a) Raw Ni-Mo ore; (b) Calcification roasted ore; (c) Sulphation roasted ore; (d)Leached cake

表2 綜合性試驗結果Table 2 Results of comprehensive experiments
1) 鎳鉬礦經加鈣氧化焙燒?低溫硫酸化焙燒?水浸可同時有效提取其中的鎳和鉬,在100 g鎳鉬礦粉加入35 g CaO混勻磨細,先在700 ℃ 焙燒2 h,得到的焙砂冷卻后加入70 mL濃硫酸拌勻熟化2 h后,再經250 ℃焙燒2 h,由此得到的焙砂按液固比2:1加水攪拌,98 ℃浸出2 h,攪拌速度為500 r/min的最佳工藝條件下,鉬浸出率可達 97.33%,鎳浸出率可達93.16%。
2) 鎳鉬礦加鈣氧化焙燒不僅能有效減少鎳鉬礦氧化焙燒煙氣對環(huán)境造成的污染,而且能顯著提高鎳的浸出率。
3) 低溫硫酸化過程可以有效強化礦物分解過程,提高酸的利用率和鎳鉬的浸出率,縮短反應時間。
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Extraction process of molybdenum and nickel from Ni-Mo ore
PENG Jun, WANG Xue-wen, WANG Ming-yu, XIAO Cai-xia, SHI Li-hua
(School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
In order to leach molybdenum and nickel from Ni-Mo ore, the process of oxidation roasting with CaO,sulphation roasting and water leaching was proposed to extract molybdenum and nickel from the Ni-Mo ore. The process parameters effected the leaching rates of molybdenum and nickel, such as CaO addition, oxidation roasting temperature,and so on were investigated. The experimental results show that 97.33% Mo and 93.16% Ni are extracted from the Ni-Mo ore by oxidation roasting the mixture of 100 g Ni-Mo ore with 35 g CaO at 700 ℃ for 2 h, sulphation roasting the calcine with 70 mL 98% sulphuric acid at 250 ℃ for 2 h, and then water leaching at 98 ℃ for 2 h with the liquid and solid ratio of 2:1. CaO addition can not only protect the environment against SO2pollution effectively, but also increase nickel leaching rate observably.
Ni-Mo ore; oxidation roasting; sulphation roasting; water leaching
TF111.3;TF841.2
A
1004-0609(2012)02-0553-07
國家高技術研究發(fā)展計劃資助項目(2006AA06Z122);國家自然科學基金資助項目(51104186)
2011-01-05;
2011-05-20
王學文,教授,博士;電話:0731-88830247;傳真:0731-88830143;E-mail: wxwcsu@163.com
(編輯 李艷紅)