一種電化學法生產高純金的工藝和裝置

王建軍 ,姬利紅 ,莊宇凱 ,姬亞灃 ,馮桂坤 ,董華繪 ,謝 鋒,王 偉,衡振平

(1.山東招金金銀精煉有限公司,山東 招遠 265400;2.鄭州金泉礦冶設備有限公司,河南 鄭州 450000;3.東北大學,遼寧 沈陽 110000)

隨著科技的進步,電子、通訊、航空航天和半導體等行業對黃金的純度提出了更高的要求,要求金原料達到“高純”以上。國家標準GB/T 25933—2010 中規定了高純金中Au 的質量分數應不低于99.999%[1],雜質元素質量分數總和應不大于10 ×10-6。然而我國目前仍有大量高純金依賴進口,因此開發新型高純金制備工藝和設備具有很強的現實意義和經濟價值。

目前,制備高純金的工藝主要有化學還原法[2-4]、萃取法[5]和電解法[6-8]等。其中化學還原法制備高純金工藝簡單、易操作、成 本高、原料適應性強,但產品純度穩定性較差。溶劑萃取法制備高純金,成本低、原料適應性強、產品純度穩定性強,但存在有機污染、回收率低等問題。電解法制備高純金成本低、產品純度穩定性強,但生產周期長、Au 積壓較多。在實際應用中,由于原料的品位不同,需根據原料的特點選擇合適的工藝或多種方法組合來制備高純金[9-10]。

本文介紹了一種電化學法生產高純金的工藝和裝置[11],該法與常規金電解不同的是粗金陽極的溶解和金的析出在兩個槽體中進行,不用造液,無電解液占壓,金回收率可以達到99.995%以上。

1 電化學法生產高純金的工藝

通過使用電化學生產高純金工藝,來料95%以上粗金,經兩次熔鑄陽極板-電化學溶解-電化學沉積工藝即可得到含金量99.999%以上金粉,產品質量穩定,無電解液占壓。

電化學法生產高純金分為兩個過程,一是粗金陽極的溶解過程,即電化學溶解過程;二是金粉在陰極的析出過程,即電化學沉積過程。

1.1 電化學溶解過程

粗金板作陽極,高純鈦板作陰極,A 溶液作電解液。陰陽極之間由一種特殊結構的選擇性離子透過膜(以下簡稱為隔膜E)分隔開,在陽極區域,粗金溶解形成[AuCl4]-進入溶液,隔膜E 可以阻隔陽極室的[AuCl4]-向陰極室移動,白銀以氯化物形態、鉑族金屬不溶解以單質形態沉淀在陽極室底部,賤金屬溶解以離子形態透過隔膜E 進入到陰極室進行還原并在陰極板上富集。等粗金陽極板溶解完畢后,由于隔膜E 的阻隔作用,Au[Ⅲ]在陽極室富集,氯化銀及鉑族金屬氯化物通過過濾器收集進行回收。過程中發生的主要反應如下:

陽極:

陰極:

粗金陽極板溶解完畢后,陽極室內的含金貴液收集轉移至電化學沉積槽的陰極室。

1.2 電化學沉積過程

以鈦鍍銥板作陽極,高純鈦板作陰極,B 溶液作電解液。在反應開始前,將電化學溶解槽中陽極室的含金貴液轉移至電化學沉積槽的陰極室,陰陽極之間由隔膜E 分隔開,隔膜E 可以阻礙陰極室的Au3+向陽極移動,同時也會阻止陽極室的其它陽離子向陰極移動。Au3+在電勢作用下得電子在陰極上析出。發生的主要反應如下:

陽極:

為了改善土壤檢測技術落后的現狀，助推我國農業加速向精準農業邁進，2018年7月，美國最大的測土機構Agsource實驗室同中國達成深度合作，在史丹利現代農業示范園建成國內首家集咨詢服務、土壤測試、測土配方施肥等為一體的現代農業綜合檢測實驗室——蚯蚓測土實驗室。

陰極:

電化學沉積過程結束后,陰極室內的溶液Au3+濃度<2 g/L,再轉移至電化學溶解槽的陽極室繼續循環使用。

圖1 電化學溶解槽和電化學沉積槽原理圖

2 電化學法生產高純金設備簡介

電化學法生產高純金設備包括風廚、電化學溶解槽、電化學沉積槽、兩臺整流電源配電柜、貴液高位罐、A 溶液高位罐、B 溶液高位罐、廢液高位罐、泵、冷凝系統等設備。

1.風廚:為整套裝置提供反應場所。

2.電化學溶解槽:包括導電銅排,陰極板,隔膜E 等,是粗金陽極板溶解的場所,陰陽極之間由隔膜E 分隔開,包括2 個陽極室和3 個陰極室。

3.電化學沉積槽:包括導電銅排,陰極板,陽極板,隔膜E 等,是金粉析出的場所,陰陽極之間由隔膜E 分隔開,包括2 個陽極室和3 個陰極室。

4.整流電源配電柜:一臺控制電化學溶解槽配電,一臺控制電化學沉積槽配電。

5.貴液高位罐:暫時儲存含金貴液。

6.A 溶液高位槽:暫時儲存A 溶液。

圖2 電化學法生產高純金設備示意圖

7.B 溶液高位槽:暫時儲存B 溶液。

8.廢液高位槽:暫時儲存廢液。

9.循環泵:為電解液的循環、輸送提供動力。

10.冷凝系統:對電解過程中產生的煙氣進行冷凝回流,可有效減少貴金屬和反應溶液的損耗。

3 電化學法生產高純金工藝和設備的優勢

(1)整個工藝無需配置電解液,無電解液占壓,可節省大量前期投入;同時由于無需配制電解液,整個工藝污染小,電化學反應過程中產生的少量煙氣只需簡單處理即可滿足國家排放標準,減少了廢氣處理的難度。

(2)整個工藝操作簡單,產品質量穩定,兩次反應后的金粉純度可達到99.999%以上。

(3)周期短,電化學溶解加析出時間只需8～10小時。

(4)整套裝置密封反應,出氣口設置冷凝系統,可以有效回收揮發出的,減少溶液和貴金屬的損耗,同時車間環境大大改善,風廚外部設計有觸摸屏操作系統,操作安全便捷。

(5)整套裝置自動化程度高,配備PLC 自動控制系統,可電腦遠端控制整流電源、冷凝系統、循環泵和輸送泵的啟停,可實時監測溶液溫度,各槽體電壓電流,保證整套裝置安全高效的運行,當反應溫度或槽體電壓電流異常時,系統報警裝置會自動報警并斷電,減少生產過程中的安全隱患。

4 設備應用與產品檢測情況

本套裝置在設計完成后,于本公司合作企業山東招金金銀精煉有限公司進行了試生產,來料為含金量95%以上的粗金粉,經過兩次熔鑄陽極板-電化學溶解-電化學沉積工藝,已成功生產出符合《GB/T 25933—2010 高純金》要求的高純金。

表1 為山東招金金銀精煉有限公司使用本套裝置產出銀粉的含量,原材料為從全國各地收購的粗金,進入到本道工序的原料為提純到95%的粗金,經過一次電化學工藝產出了99.997 5%的1#金,再經過一次電化學工藝得到了含量達99.999 5%的高純金。

表1 電化學法產出金粉含量

5 結論

本文詳細介紹了一種生產高純金的工藝及其配套設備,這種工藝技術先進,與電解法和化學法相比具有污染小、無電解液占壓等優點,整套裝置操作簡單,自動化控制、可靠性和安全性高。整套設備經在山東招金金銀精煉有限公司進行了試生產,原料95%的粗金經循環兩次工藝生產出了滿足國家標準GB/T 25933—2010 的高純金。