還原酸浸法從低品位水鈷礦中提取銅和鈷

劉 俊，李林艷，徐盛明，池汝安

(1. 武漢工程大學 化工與制藥學院，武漢 430073；2. 清華大學 核能與新能源技術研究院 精細陶瓷北京市重點實驗室，北京 100084)

還原酸浸法從低品位水鈷礦中提取銅和鈷

劉 俊1,2，李林艷2，徐盛明2，池汝安1

(1. 武漢工程大學 化工與制藥學院，武漢 430073；2. 清華大學 核能與新能源技術研究院 精細陶瓷北京市重點實驗室，北京 100084)

以 Na2SO3為還原劑從水鈷礦還原酸浸液中提取銅和鈷，研究了還原劑種類及用量、浸出溫度、硫酸濃度等因素對水鈷礦還原酸浸過程中有價金屬銅和鈷浸出率的影響。結果表明，Na2SO3是較適宜的還原劑；在還原劑用量為水鈷礦原礦質量的10%、硫酸濃度為3 mol/L、浸出溫度為60 ℃、液固比為2∶1、浸出時間為60 min的條件下，銅和鈷的浸出率分別達99.06%和98.87%。并提出了“M5640萃銅→黃鈉鐵礬法除鐵→碳酸鈉除鋁→氟化鈉除鈣、鎂→蒸發結晶得鈷產品”的后續分離凈化流程，能有望應用于水鈷礦及類似物料中有價金屬的提取與分離的工業生產。

水鈷礦；還原酸浸；銅；鈷

鈷是重要的戰略金屬元素，鈷及其化合物在化工、機械、航空和軍事等部門具有廣泛的應用[1-4]。中國是世界第二大鈷消費國，對鈷資源的需求量年平均增長25%，是世界平均水平的4倍之多。然而，我國卻是鈷資源極為貧乏的國家，每年約90%的鈷資源需要從國外進口，其中大量進口的鈷礦物是產自剛果、南非等地的水鈷礦[5-7]。隨著對鈷資源的不斷開采，高品位的鈷礦已越來越少，且剛果等國提出對高品位鈷礦的出口限制，因此，低品位鈷礦中有價金屬的綜合回收受到了廣泛的關注。

銅鈷礦的處理工藝主要有火法工藝和濕法工藝兩種。火法工藝包括回轉窯硫酸化升溫焙燒法[8]和電爐還原熔煉法[9]，火法工藝存在回收率較低、能耗高、對環境污染較大等問題。濕法工藝包括酸浸、氨浸和加壓浸出等工藝，其中氨浸法[10-11]具有操作困難、廢水污染且回收率不高等缺點；加壓浸出[12-13]工藝雖能有效回收其中的有價金屬，但其對設備及反應條件要求較高。因此，尋求一條簡單高效的水鈷礦中有價金屬回收工藝非常必要。本文作者采用還原酸浸法對低品位水鈷礦進行系統的研究，以期為低品位水鈷礦的開發利用提供實驗和理論依據。

1 實驗

1.1 材料

水鈷礦礦樣由寧夏東方鉭業股份公司提供。經破碎、篩分后，由X 射線熒光光譜測得原料的主要化學成分(見表1)。

表1 水鈷礦的主要化學成分Table1 Main chemical composition of heterogenite (mass fraction, %)

1.2 實驗儀器與試劑

實驗儀器：DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；SP-3500AAPC原子吸收分光光度計。

試劑：H2SO4、Na2SO3、NaNO2、H2O2均為分析純。

1.3 實驗原理

水鈷礦中的有價金屬主要以氧化物的形式存在，且部分鈷為三價[14]。Co2O3不能完全溶于 H2SO4，因此，在浸出過程中須加入一定量的還原劑(如Na2SO3)將其還原成易溶于酸的二價鈷，涉及的主要化學反應如下：

1.4 實驗方法

將原料水鈷礦用堆錐法進行縮分，縮分后的水鈷礦經敲碎，振動研磨，過孔徑為74 μm的標準篩，然后置烘箱中于120 ℃下干燥12 h。稱取一定量的礦樣于三口燒瓶中，加入適量的稀硫酸和還原劑，控制在一定溫度下加熱，攪拌，浸出反應一段時間。浸出完成后，過濾得到浸出液，100 ℃下烘干浸出渣，分析浸出液和浸出渣中銅、鈷、鐵和鎂的含量，計算銅、鈷、鐵和鎂的浸出率。本文作者考察了還原劑種類及用量、浸出溫度、硫酸濃度、液固比和浸出時間對銅和鈷浸出率的影響。

2 結果與討論

2.1 還原劑種類對銅和鈷浸出率的影響

常用的還原劑有亞硫酸鈉[15]、鐵粉[16]、雙氧水[17]、亞鐵離子[18]、亞硝酸鈉[19]和葡萄糖母液水[19]等，工業上主要采用二氧化硫[20]。經綜合考慮，本研究考察了Na2SO3、NaNO2和 H2O2對銅和鈷浸出率的影響。取20 g礦樣，還原劑用量為礦粉質量的10%，反應時間為60 min，溫度為90 ℃，H2SO4濃度為3 mol/L，液固比：L/S=3。浸出結果見表2。

由表2可知：還原劑的加入對銅、鐵、鎂的浸出基本無影響，對鈷的影響較明顯。在未加入還原劑的情況下鈷浸出率只有54.53%，加入H2O2、Na2SO3和NaNO2后，鈷浸出率分別為 94.51%、99.43%和99.81%，相應的鈷浸出率順序為 NaNO2＞Na2SO3＞H2O2。還原劑的加入能促進鈷離子浸出的原因是：Co2+易溶于H2SO4，生成溶解度較大的CoSO4；而水鈷礦中存在部分不易溶于H2SO4的Co2O3，因此，需要加入還原劑使其還原成Co2+，從而加速礦中鈷離子的浸出。NaNO2的還原效果雖略好于Na2SO3的，但會產生大量的有毒氣體NO2。綜合考慮成本和操作環境因素后確定Na2SO3是較適宜的還原劑。

表2 還原劑對銅、鈷、鐵和鎂的浸出率的影響Table2 Influences of reducing agents on leaching rates of Cu, Co, Fe and Mg

2.2 浸出溫度對銅和鈷浸出率的影響

浸出條件：礦樣20 g，Na2SO3用量2 g，反應時間60 min，H2SO4濃度3 mol/L，液固比L/S=3。溫度對浸出結果的影響見圖1。

圖1 浸出溫度對銅、鈷、鐵和鎂的浸出率的影響Fig.1 Influences of temperature on leaching rates of Cu, Co,Fe and Mg

由圖1可知：銅浸出率受溫度的影響較小，20 ℃時銅浸出率已高達94.95%，而隨溫度的升高，銅、鐵和鎂的浸出率也逐漸增大。60 ℃左右時鈷浸出率達98.04%，這可能因為隨著溫度的升高，反應(3)的自由能降低，且反應速度加快。高于60 ℃以后，隨著浸出溫度的升高，鈷浸出率增加不大，繼續升溫不僅會浪費資源而且會導致鐵、鎂等雜質離子的浸出率增高，在 60～70 ℃范圍內，雜質鐵浸出率有較大幅度的上升。綜合考慮后確定最佳浸出溫度為60 ℃。

2.3 H2SO4濃度對銅和鈷浸出率的影響

浸出條件：礦樣20 g，Na2SO3用量2 g，反應時間60 min，浸出溫度60 ℃，液固比L/S=3。H2SO4濃度對浸出結果的影響見圖2。

圖2 H2SO4濃度對銅、鈷、鐵和鎂的浸出率的影響Fig.2 Influences of H2SO4 concentration on leaching rate of Cu, Co, Fe and Mg

由圖2可知：隨著H2SO4濃度的增加，各金屬的浸出率也逐漸增大，H2SO4濃度為3 mol/L時，銅和鈷浸出率均可達98%以上。繼續增加H2SO4濃度對銅和鈷的浸出無較大影響；但當 H2SO4濃度為 4 mol/L時，雜質的浸出率較高；而當H2SO4濃度為5 mol/L時，浸出漿較難過濾。這是因為當 H2SO4濃度為 1 mol/L時，反應的酸量達不到水鈷礦中各金屬反應所需要的酸量，故此時各金屬的浸出率較低；但隨著H2SO4濃度的增加，參與反應的酸量也逐漸增大，當參與反應的酸量超出銅和鈷浸出所需要的酸量時，不僅會導致雜質鐵和鎂的浸出率增大，而且會使礦中的硅以硅膠的形式生成，影響浸出漿的過濾性能。綜合考慮后選定最佳H2SO4濃度為3 mol/L。

2.4 還原劑用量對銅和鈷浸出率的影響

浸出條件：礦樣20 g，Na2SO3用量2 g，反應時間60 min，浸出溫度60 ℃，H2SO4濃度3 mol/L，液固比L/S=3。還原劑用量對浸出結果的影響見圖3。

由圖3可知：銅浸出率隨還原劑用量的增加而變化較小，均超過90%，這是因為水鈷礦中的CuO易溶于H2SO4，還原劑的加入與否及其用量的改變對銅浸出率無影響。而鈷浸出率隨還原劑用量的增加而增大，當還原劑用量為礦粉質量的10%時，水鈷礦中鈷浸出率為96.92%，繼續增加還原劑用量，鈷浸出率不再增加，說明還原劑用量為礦粉用量的10%時，已能將水鈷礦中的Co3+基本還原成Co2+，繼續增加還原劑用量則會造成資源浪費和環境污染。

2.5 液固比對銅和鈷浸出率的影響

浸出條件：礦樣20 g，Na2SO3用量2 g，反應時間60 min，還原劑用量10%，浸出溫度60 ℃，H2SO4濃度3 mol/L。液固比對浸出結果的影響見圖4。

圖3 還原劑用量對銅、鈷、鐵和鎂的浸出率的影響Fig.3 Influences of amount of reducing agent on leaching rates of Cu, Co, Fe and Mg

圖4 液固比對銅、鈷、鐵和鎂的浸出率的影響Fig.4 Influences of liquid-solid ratio on leaching rates of Cu,Co, Fe and Mg

由圖4可知：隨著液固比從1∶1到4∶1，銅和鈷浸出率呈先增加后降低的趨勢，當液固比為2:1時，銅和鈷浸出率分別達到 99.54%和 99.15%。繼續增加液固比時，銅和鈷浸出率反而下降，可能是由于過量的酸會使浸出液的pH值偏低[21]，導致聚合程度很高的β硅酸(即硅膠)的形成[22]，浸出漿難以過濾，從而使一部分銅和鈷夾帶在浸出渣中。綜合考慮后確定液固比為2∶1較合適。

2.6 浸出時間對銅和鈷浸出的影響

浸出條件：礦樣20 g，Na2SO3用量2 g，浸出溫度60 ℃，H2SO4濃度3 mol/L，液固比L/S=2。浸出時間對浸出的影響見圖5。

由圖5可知：Cu2+浸出速率較快，在15 min時已基本浸出完全，Co2+在60 min時浸出率為98.23%；繼續增加浸出時間時，銅和鈷浸出率反而略有下降。這可能有以下兩個方面的原因：1)浸出液中銅和鈷的濃度較大，隨著時間的延長會有少量硫酸銅和硫酸鈷結晶出來；2)隨著時間延長，浸出漿中的硅膠逐漸增多，過濾性能變差，有部分銅和鈷留在濾渣中。因此，水鈷礦中銅和鈷的浸出最佳時間為60 min。

圖5 浸出時間對銅、鈷、鐵和鎂的浸出率的影響Fig. 5 Influences of time on leaching rates of Cu, Co, Fe and Mg

3 優化條件下的放大實驗

取200 g礦樣，Na2SO3作還原劑，還原劑用量為礦粉質量的10%，浸出時間為60 min，浸出溫度為60℃，H2SO4濃度為3 mol/L，液固比L/S=2。實驗結果見表3，并由此推薦了如圖6所示的工藝流程。

表3 放大實驗結果Table3 Results of enlarged experiment

圖6 推薦工藝流程圖Fig. 6 Recommending technological flow sheet

4 結論

1) 水鈷礦還原酸浸最佳工藝條件如下：Na2SO3是較適宜的還原劑；還原劑用量為水鈷礦原礦質量的10%；硫酸濃度為3 mol/L；浸出溫度為60 ℃；液固比為2:1；浸出時間為60 min。

2) 最佳工藝條件下銅和鈷的浸出率分別達99.06%和98.87%。

3) 推薦了較為合適的低品位水鈷礦處理工藝流程。

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Recovery of copper and cobalt from low-grade heterogenite with reductive acid leaching method

LIU Jun1,2, LI Lin-yan2, XU Sheng-ming2, CHI Ru-an1
(1. School of Chemical Engineering and Pharmacy, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China;2. Beijing Key Lab of Fine Ceramics, Institute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Copper and cobalt were leached from heterogenite in sulfuric acid using Na2SO3as reducing agent, and the influences of the type and amount of reducing agent, leaching temperature, acid concentration, etc on leaching rates of copper and cobalt were investigated through single-factor experiments. The results show that the optimal conditions, at which the leaching efficiencies of copper and cobalt were 99.06% and 98.87%, were as follows: the dosage of Na2SO3is 10% of the mass of heterogenite, and c(H2SO4)=3 mol/L, T=60 ℃, L/S ratio=2:1, t=60 min. The proposed flowsheet is Cu recovery by M5640→Fe removal by jarosite→Al removal by Na2CO3→Ca, Mg removal by NaF→evaporative crystallization valuable. This process flow can be applied in the extraction of metals from heterogenite and similar materials effectively in industry.

heterogenite; sulferic reductive acid leaching; copper; cobalt

TF811; TF816

A

1004-0609(2012)1-0304-06

國家重點基礎研究計劃資助項目(2007CB613506，2007CB613505)

2011-01-20；

2011-04-26

徐盛明，教授，博士；電話：010-62773585; E-mail: smxu@tsinghua.edu.cn

(編輯 何學鋒)