從金礦石焙燒煙塵中酸浸鐵試驗研究

雷占昌,范志平,馬福寶,費發源,李學蓮

(青海省核工業檢測試驗中心,青海 西寧 810003)

難處理金礦石中含有碳、硫、砷等一些影響氰化浸出金的有害元素，以及存在伴生礦物對金的包裹，在氰化浸金之前需進行預處理[1-4]。對此類礦石，工業上通常采用焙燒法預處理[5-7]。在金礦石焙燒過程中，會產生一部分煙塵沉積在表面冷卻器和電收塵器中。煙塵中含有一定量金(約50 g/t)，有較高回收價值。

煙塵中的金通常被包裹在含鐵氧化物中，目前多采用硫酸熟化、氯化焙燒、還原等方法解離包裹[8-10]，但通常存在處理成本高、工藝復雜、設備投資大等問題。試驗研究用硫酸浸出煙塵，溶解其中含鐵礦物，使金暴露出來，然后再氰化浸出金；并分析了鐵的酸浸反應動力學及反應機制。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與試劑

煙塵：取自國內某黃金冶煉廠，XRD物相分析結果如圖1所示，主要物相為褐鐵礦、石英，也有少量碳酸鹽、赤鐵礦、黃鐵礦等，粒度5 μm 左右。金質量分數51.2 g/t，鐵質量分數43.6%。

圖1 煙塵的XRD物相分析結果

濃硫酸，分析純；水，去離子水。

1.2 試驗方法與原理

量取一定體積硫酸溶液(1+1)于玻璃圓底燒瓶中，啟動OS20-S型電動攪拌器(賽洛捷克公司)，電熱套加熱。待溫度升至設定溫度后，加入150 g煙塵。反應一定時間后，過濾，用ICP 6300型電感耦合等離子體發射光譜儀(賽默飛世爾科技公司)測定浸出液中鐵質量濃度，計算鐵浸出率。

浸出過程中，氧化鐵與硫酸反應生成硫酸鐵：

Fe2(SO4)3+(3+n)H2O。

(1)

鐵浸出率計算公式為：

(2)

式中：m—煙塵質量，g；w—煙塵中鐵質量分數，%；V—浸出液體積，mL；ρ—浸出液中鐵質量濃度，mg/L。

2 試驗結果與討論

2.1 液固體積質量比對鐵浸出率的影響

在溫度85 ℃、攪拌速度500 r/min條件下，液固體積質量比對鐵浸出率的影響試驗結果如圖2所示。

圖2 液固體積質量比對鐵浸出率的影響

由圖2看出，液固體積質量比對鐵浸出率有顯著影響：隨液固體積質量比增大，鐵浸出率提高；液固體積質量比為1.8 L/1 kg時，鐵最高浸出率達96.84%。液固體積質量比增大，硫酸用量隨之增大，生產成本增加，綜合考慮，確定液固體積質量比以1.6 L/1 kg為宜。

2.2 溫度對鐵浸出率的影響

液固體積質量比1.6 L/1 kg，攪拌速度500 r/min，溫度對鐵浸出率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 溫度對鐵浸出率的影響

由圖3看出：隨溫度升高，鐵浸出率提高。溫度升高，反應速率增大，溫度為90 ℃時，浸出120 min，反應趨于完全，鐵浸出率達97.41%并趨于穩定。

2.3 鐵浸出反應動力學

硫酸浸出鐵的反應屬于典型的液-固相反應。煙塵中的含鐵化合物與硫酸反應生成硫酸鐵，沒有固相生成；但煙塵中的含硅化合物不與硫酸反應，浸出過程中形成惰性殘留層。因此，此浸出反應動力學適合采用縮核模型加以分析。

煙塵的硫酸浸出反應分為以下幾個步驟：1)硫酸通過液膜擴散到煙塵顆粒表面(外擴散過程)；2)硫酸由煙塵顆粒表面通過產物層擴散到未反應核表面(內擴散過程)；3)硫酸與煙塵顆粒在未反應核表面發生化學反應(表面化學反應過程)；4)反應產物硫酸鐵通過產物層擴散到煙塵顆粒表面(內擴散過程)；5)反應產物硫酸鐵由煙塵顆粒表面擴散到溶液中(外擴散過程)。以上5個步驟都有可能是煙塵酸浸反應的控制步驟。反應速率方程[11-19]可表示為：

外擴散控制，

x=k0t；

(3)

表面化學反應控制，

(4)

內擴散控制，

(5)

化學反應-內擴散共同控制，

(6)

式中：x—鐵浸出率，%；t—反應時間，min；k0—外擴散控制反應速率常數,min-1；k1—表面化學反應控制反應速率常數,min-1；k2—內擴散控制反應速率常數,min-1；k3—反應-內擴散共同控制反應速率常數,min-1。

圖4 不同溫度條件下，對t的擬合曲線

表1 酸浸反應動力學擬合參數

(7)

(8)

式中：Ea—反應表觀活化能，kJ/mol；R—摩爾氣體常數，8.314 J/(mol·K)；T—熱力學溫度，K；A—指前因子,min-1。

lnk1對1/T的擬合曲線如圖5所示。

圖5 ln k1對1/T的擬合曲線

由圖5看出：擬合曲線為直線，根據直線斜率計算出Ea為23.44 kJ/mol，這與文獻報道的數據有偏差。一般來說，反應主要由表面化學反應控制時，Ea通常大于40 kJ/mol；受內擴散控制時，一般為4～12 kJ/mol；受反應-內擴散共同控制時，一般為12～40 kJ/mol[20]。而計算所得Ea介于12～40 kJ/mol之間，說明雖然表面反應控制方程的擬合效果最好，但反應可能受表面反應-內擴散共同控制。

圖6 不同溫度條件下，對t的擬合曲線

圖7 ln k3對1/T的擬合曲線

(9)

3 結論

用硫酸浸出處理金礦石焙燒煙塵，鐵浸出率較高，有利于后續氰化浸出金。適宜條件下，鐵浸出率為97.4%。浸出反應過程符合縮核模型，主要受表面反應-內擴散共同控制，反應表觀活化能為24.61 kJ/mol。