銅鎘渣綜合利用研究

盧國儉，朱英杰，歐陽春

（1.連云港師范高等專科學校，江蘇連云港 222006；2.連云港中復連眾復合材料集團有限公司）

中國2011年鋅冶煉產能在640萬t左右；到了2012年鋅冶煉產能達到710萬t；而“十二五”規劃是到2015年鋅冶煉產能有望實現720萬t［1］。其中濕法煉鋅占鋅總產量的80%以上，在濕法煉鋅過程中，硫酸鋅溶液凈化除銅、鎘時產出大量的銅鎘渣［2］。每生產 1 萬 t電鋅約產生 1300 t銅鎘渣［3］。由于銅鎘渣中有價金屬性質相似及在鋅濕法冶煉過程中采用的原料、工藝不同，導致產生的銅鎘渣分離困難，目前并未完全回收利用。目前國內對銅鎘渣的研究主要集中在銅含量相對低、鋅鎘含量相對高的原料上，處理方法有加壓酸浸法、氨浸法［4］、微生物浸出法［5］等。而對含銅量高的銅鎘渣的高效分離研究較少。本研究利用金屬銅與稀硫酸不發生反應的原理，將銅留置渣中，其他金屬全部以離子形式進入溶液，然后利用銅、鎘和鋅氧化還原電位相差較大的原理，用鋅粉分步還原，從而可得到工業級的硫酸銅、海綿鎘和電解液硫酸鋅。

1 原料及實驗設備

1.1 原料來源及分析

實驗原料來源于西部某鋅冶煉廠鋅冶煉過程中的一、二段凈化混合渣，顏色為銅紅色。其主要化學元素分析見表1。銅鎘渣物相組成：Cu 92%以金屬Cu形式存在，8%以CuO的形式存在；Cd 91%以金屬Cd形式存在，9%以CdO形式存在；92%的Zn以金屬的形式存在。由表1及銅鎘渣物相分析可知，銅鎘渣中Cu主要以金屬Cu的形態存在，這為Cu的優先提取提供了可能。

表1 銅鎘渣主要元素含量 %

1.2 實驗設備

VW-0.50/9空氣壓縮機、QZL-200SCC空氣流量計、HHW21.420（A）Ⅱ水浴鍋、SJB-S 450 實驗室攪拌器、PHS-3C pH 計、離心機、反應釜（0.5 L）、WG LL-65BE電熱鼓風干燥箱等。

2 反應原理及工藝流程

2.1 反應原理

銅鎘渣中Cu、Cd和Zn主要以金屬單質及其氧化物的形式存在。鋅、鎘、銅的標準電位相差較大，可以用置換方法將其分離。

2.2 工藝流程（見圖1）

圖1 銅鎘渣綜合回收工藝流程

3 實驗結果與討論

由于Cu2+/Cu的標準氧化還原電位遠高于H2/H+的標準氧化還原電位，所以金屬銅在酸浸過程中不會與稀硫酸發生反應，利用這一性質采用稀硫酸加熱攪拌浸出，可以將鎘、鋅及少量氧化銅轉變成離子進入溶液，難溶于稀硫酸的金屬銅富集后形成銅渣。銅的富集、鋅鎘的浸出效率受硫酸濃度、浸出時間、浸出溫度、液固比的影響，為此對上述工藝參數進行實驗，以便確定最佳浸出工藝參數。鋅鎘液的分離，考察了鋅粉添加方式、浸出溫度、時間等參數。

3.1 硫酸酸浸及銅的富集

3.1.1 硫酸濃度對銅、鋅、鎘浸出率的影響

設計酸浸浸出溫度為50℃、時間為2.5 h、液固比為4 mL/g，考察硫酸濃度對鋅、鎘及氧化銅浸出的影響，結果見圖2。由圖2可以看出，鎘、鋅、銅的浸出率均隨著硫酸濃度的增加而增加，特別是鎘、銅受硫酸濃度的影響較大。硫酸質量分數為5%時，鎘的浸出率只有67%，硫酸質量分數為6%時，銅的浸出率不足0.5%；當硫酸質量分數增加到17%時，鎘、鋅的浸出率增加至95%以上，銅的浸出率增加到1.7%；繼續增加硫酸的濃度，銅、鎘、鋅的浸出率變化不大。所以選擇酸浸硫酸質量分數為17%。

圖2 硫酸濃度對Cu、Cd和Zn浸出率的影響

3.1.2 浸出時間對銅、鋅、鎘浸出率的影響

在硫酸質量分數為17%、反應溫度為50℃和液固比為4 mL/g的條件下，探索浸出時間對銅鎘渣中Cu、Cd和Zn分離的影響，結果見圖3。由圖3可知，反應前期鋅、鎘反應速率大，浸出時間為1.5 h時，其浸出率已達到96%，但銅的浸出率只有0.9%；當浸出時間達到2.5 h，銅的浸出率才趨于穩定。故浸出時間確定為2.5 h。

圖3 浸出時間對Cu、Cd和Zn浸出率的影響

3.1.3 浸出溫度對銅、鋅、鎘浸出率的影響

溫度對化學反應速率的影響較為顯著，銅鎘渣中含有大量金屬態的鋅和鎘，與稀硫酸反應放出氫氣，故從理論上分析，通過反應溫度控制反應速度為較佳的途徑。圖4為硫酸質量分數為17%、浸出時間為2.5 h、液固比為4 mL/g的條件下，溫度與銅、鎘、鋅的浸出率關系。由圖4可知，當溫度達到40℃以上，鎘、鋅99%以上以離子形式進入溶液；而銅離子在60℃達到峰值（1.83%），且超出溶液中氧化銅中銅含量，說明60℃左右，金屬銅發生了氧化，少量的銅被氧化生成氧化銅與酸反應，以離子形式進入溶液。綜上原因，選擇酸浸溫度為50℃左右為宜。

圖4 浸出溫度對Cu、Cd和Zn浸出率的影響

3.1.4 液固比對銅鎘渣浸出率的影響

在前面實驗的基礎上，選擇酸浸硫酸質量分數為17%、浸出溫度為50℃、浸出時間為2.5 h，反應過程對溶液的pH定時測定，保證反應終點溶液的pH小于1.5。浸出液固比對Cu、Cd和Zn浸出率的影響見圖5。從圖5可以看出，提高液固比有利于銅鎘渣中鋅、鎘及銅的浸出。當液固比達到4mL/g時，鋅、鎘的浸出率幾乎相同，達到最大值；銅的浸出率達到1.75%。繼續增加液固比，浸出率變化不大。但在實際實驗中發現，液固比增加有利于過濾，但過高的液固比將導致循環系統液體膨脹，增加廢液處理成本。因此，選擇液固比為4 mL/g較為合適。

圖5 浸出液固比對Cu、Cd和Zn浸出率的影響

3.2 鋅、鎘的分離

Zn2+/Zn氧化還原標準電位為-0.76 V，Cd2+/Cd的氧化還原標準電位為-0.42V，Cu2+/Cu的標準氧化還原電位為0.34 V。鋅與銅的電位相差1.1 V，利用這一性質，可以將銅從鋅鎘溶液中置換出來，然后控制適當的pH用鋅粉還原得到海綿鎘。

3.2.1 鋅粉置換除銅

由于反應環境對銅的氧化還原電位影響較大，故考察溶液酸堿度對鋅粉置換銅的影響。取酸浸鋅、鎘過濾后溶液，加入鋅粉量為銅理論用鋅粉量的1.2倍沉銅［6］，設計反應溫度為65℃，反應時間為30 min［7］，結果見圖 6。由圖 6 可知，溶液的 pH 對浸出液除銅有一定的影響，酸度大，沉銅效率高，說明酸度大有利于金屬的還原，其原因是酸度增加，增加了銅鋅之間的電位差，有利于置換反應的進行。當pH在2～3時，沉銅效率大于99.80%。銅渣返回酸浸系統。通過對沉銅后溶液的檢測分析可知，沉銅后溶液銅質量濃度小于0.003 g/L。

圖6 浸出液pH對沉銅的影響

3.2.2 鋅粉分段置換沉鎘

鎘與鋅的標準電位相差較小，要將鎘全部還原，提高海綿鎘中鎘的含量，實驗設計采用二段逆向置換。

一段置換：加入理論消耗量90%的鋅粉，制得海綿鎘。由于鋅粉在還原鎘的過程中，鋅粉可能被海綿鎘包覆，因此對鋅粉的加料方式、置換溫度、置換時間進行了考察。表2為反應溫度為45℃、反應時間為1 h、溶液的pH為3～3.5時，加料方式對海綿鎘化學成分的影響［8-10］。由表2可知，鋅粉不同加料方式對海綿鎘的質量影響很大。鋅粉連續加入，可以得到鎘質量分數為95%的海綿鎘，其含鋅量只有0.85%。

表2 海綿鎘化學成分分析 %

連續加入鋅粉的基礎上，考察溫度對鋅粉還原鎘的影響，結果見圖7。由圖7可知，溫度對鎘的置換有一定的影響，溫度低于30℃，還原速率慢，海綿鎘產率低；溫度過高，海綿鎘會氧化。45℃時鋅粉對鎘的還原效果最好，鋅粉的置換效率大于99%，海綿鎘中鎘質量分數為91%。在反應溫度為45℃、鋅粉置換鎘的總時間為40 min條件下，考察了連續加料時間對鋅粉還原鎘的影響，結果見圖8。由圖8可知，當加鋅時間大于20 min時，鎘的置換率可達到99.5%。繼續延長加鋅時間，對置換影響不大，所以確定加鋅還原鎘時間為20 min。

圖7 溫度對鎘置換效率的影響

圖8 加料時間對鎘置換效率的影響

二段置換：一段沉鎘后，由于鋅粉沒有過量，一次沉鎘濾液仍然有大量的金屬鎘離子，依據前面除鎘的工藝流程及參數，采用連續鋅粉加入法還原鎘，當鋅粉用量為理論量的1.2～1.3倍時，溶液中99.6%的鎘被除去，過濾渣返回酸浸系統。

3.2.3 硫酸鋅溶液凈化除鈷

電鋅工藝要求硫酸鋅溶液中鈷質量濃度應小于5 mg/L，為了滿足電鋅對硫酸鋅溶液的質量要求，對除鎘后溶液除鈷。實驗主要利用高錳酸鉀氧化Co2+為Co3+而水解沉淀鈷。調節除鎘后溶液的pH為4.5～5、反應溫度為90℃、反應時間為2 h，考察高錳酸鉀用量對除鈷的影響，結果見圖9。由圖9可知，加入KMnO4量為理論量的1.3倍時，鈷的去除率接近98%。對處理后溶液進行檢測，硫酸鋅溶液能夠滿足電鋅要求。

圖9 高錳酸鉀用量對鈷去除率的影響

4 結論

1）鋅冶煉系統產生的含銅量較高的銅鎘渣，可以經過一次酸浸將金屬銅與鋅、鎘分離，其工藝參數為：稀硫酸的質量分數為17%、浸出溫度為50℃、浸出時間為2.5 h、液固比為4 mL/g。2）鋅鎘分離采用二段逆向置換，在一段置換中，加入理論量90%的鋅粉，鋅粉采用連續加料，加鋅時間維持在20 min。在二段置換中，鋅粉用量為理論量的1.2～1.3倍時，溶液中99.6%的鎘被除去。3）硫酸鋅的凈化，采用溶液中銅離子理論用鋅粉量的1.2倍左右的鋅粉還原，可使沉銅后溶液銅質量濃度小于0.003 g/L。采用高錳酸鉀氧化除鈷，加入量為理論量的1.3倍，處理后硫酸鋅溶液能夠滿足電鋅要求。

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