用磷酸鹽從硫化鎳礦石浸出液中除鐵試驗研究

湛 金，李 鵬

(青海黃河礦業有限責任公司，青海 格爾木 816000)

自然界中的鎳資源主要為紅土鎳礦和硫化鎳礦[1]。硫化鎳礦中通常伴有鐵、銅、鈷等金屬，其中鐵被認為是雜質元素[2]。鐵與鎳、鈷、銅均為過渡金屬，具有相近的化學性質，在鎳浸出過程中會不同程度進入溶液，對鎳的生產過程及鎳產品質量都有較大影響，因此，在從礦石浸出液中回收鎳之前需除鐵。

磷酸鐵具有溶解度低(Ksp=1.3×10-27)、沉淀速率快、結晶性能好且很少吸附陽離子等特點，用磷酸鐵從溶液中除鐵被認為是擁有應用前景且技術新穎的除鐵方法之一[15-20]，其對鐵的脫除率可達99%，而有價金屬損失率低于10%；但有關采用此法從高鎳、高鐵溶液中除鐵的研究尚未見有報道。試驗研究了采用H2O2氧化—磷酸鹽沉淀法從硫化鎳礦浸出液中除鐵，以期為硫化鎳礦浸出液中鐵與銅、鎳的高效分離提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與試劑

鎳精礦：取自青海黃河礦業有限公司夏日哈木鎳鈷礦，主要成分見表1，pH=0.8。

表1 硫化鎳礦浸出液的主要化學成分 g/L

試劑：鹽酸、硝酸、硫酸(98%)、磷酸(85%)及雙氧水(30%)，北京化工廠；碳酸鈉，國藥集團化學試劑有限公司。所有試劑均為分析純。

1.2 試驗設備與儀器

試驗設備：Mettler ML-104型分析天平(瑞士Mettler Toledo公司)，DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司)，FE28型梅特勒臺式pH計(瑞士Mettler Toledo公司)，DF-101SZ型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(河南省予華儀器有限公司)，COOLPEX型微波消解儀(上海屹堯儀器科技發展有限公司)。

分析儀器：Agilent 5800VDV型電感耦合等離子體發射光譜儀(安捷倫科技有限公司)，Rigaku SmartLab型X射線衍射儀(日本理學株式會社)，AXIOS型X熒光光譜儀XRF(荷蘭帕納科公司)以及UV9100型紫外分光光度計(北京萊伯泰科儀器股份有限公司)。

1.3 試驗原理與方法

(1)

溶液中的鐵部分以Fe2+形式存在，需先將其氧化成Fe3+：

(2)

向100 mL燒杯中倒入50 mL硫化鎳礦浸出液，將燒杯置于水浴鍋中加熱。待溫度升至設定溫度后，向燒杯中加入一定量H2O2，將溶液中的Fe2+氧化成Fe3+、然后再加入一定質量濃度的H3PO4，之后用20%Na2CO3溶液調溶液pH，在攪拌速度500 r/min條件下攪拌反應一定時間。反應結束后，過濾，分離濾液和濾渣。濾渣用純水洗滌后于105 ℃下烘干。采用ICP-OES分別測定濾液、洗液及濾渣中金屬組分含量，計算鐵去除率和銅、鎳損失率。

2 試驗結果與討論

2.1 H2O2用量對鐵去除率的影響

在溶液終點pH=1.5、n(P)/n(Fe)=1.0、反應溫度60 ℃、反應時間120 min條件下，H2O2用量對金屬沉淀率的影響試驗結果如圖1所示。

圖1 H2O2用量對金屬沉淀率的影響

2.2 體系終點pH對鐵去除率的影響

在H2O2用量為理論量1.5倍、n(P)/n(Fe)=1.0、反應溫度60 ℃、反應時間120 min條件下，體系終點pH對金屬沉淀率的影響試驗結果如圖2所示。

圖2 體系終點pH對金屬沉淀率的影響

由圖2看出：隨體系終點pH升高，鐵去除率快速升高，pH升至2.0時，鐵去除率趨于穩定；而銅、鎳損失率則隨pH升高而持續升高，pH升至2.5后，銅、鎳損失率快速升高。隨pH增大，體系中Cu2(PO4)3和Ni2(PO4)3沉淀形成的可能性增大，從而導致銅、鎳損失增加。綜合考慮，確定體系終點pH以2.0為宜，此時鐵去除率為98.17%，銅、鎳損失率分別為1.56%和0.64%。

2.3 n(P)/n(Fe)對鐵去除率的影響

在H2O2用量為理論量1.5倍、體系終點pH=2.0、反應溫度60 ℃、反應時間120 min條件下，n(P)/n(Fe)對金屬沉淀率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 n(P)/n(Fe)對金屬沉淀率的影響

2.4 反應溫度對鐵去除率的影響

在H2O2用量為理論量1.5倍、體系終點pH=2.0、n(P)/n(Fe)=1.0、反應時間120 min條件下，反應溫度對金屬沉淀率的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 反應溫度對金屬沉淀率的影響

由圖4看出：隨溫度升高，鐵脫除效率基本保持不變，均在97%以上；但銅、鎳損失率略有下降，至溫度為50 ℃時，銅、鎳損失率降至最低且趨于穩定。綜合考慮，確定適宜反應溫度為50 ℃。

2.5 反應時間對鐵去除率的影響

在H2O2用量為理論量1.5倍、體系終點pH=2.0、n(P)/n(Fe)=1.0、反應溫度50 ℃條件下，反應時間對金屬沉淀率的影響試驗結果如圖5所示。

圖5 反應時間對金屬沉淀率的影響

由圖5看出，除鐵反應速度很快：反應15 min，鐵去除率即達95.17%；反應30 min后，鐵去除率基本穩定；反應時間對銅、鎳損失率基本沒有影響。綜合考慮，確定反應時間以30 min為宜。

2.6 除鐵后液及除鐵渣組成分析

根據以上試驗結果，在適宜條件(H2O2用量為理論量1.5倍，終點pH=2.0，n(P)/n(Fe)=1.0，反應溫度50 ℃，反應時間30 min)下進行除鐵試驗，所得溶液成分見表2。可以看出：鐵去除率為98.17%，銅、鎳損失率為1.50%和0.58%，溶液中總鐵質量濃度為0.337 g/L。

表2 除鐵前、后溶液中金屬質量濃度 g/L

不同溫度下除鐵渣的XRD分析結果如圖6所示。可以看出：圖譜中沒有相應的峰，表明沉淀渣為無定形物。

圖6 除鐵渣的XRD圖譜

XRF半定量分析與ICP-OES定量分析結果見表3。可以看出：主要元素為O、Fe、P，含少量S、Na、Al、Cu及Ni等元素；其中，Fe、P質量分數接近FePO4·2H2O中Fe和P質量分數(Fe 29.89%，P 16.58%)，接近Fe、P比例。由此推斷，除鐵渣為無定形水合磷酸鐵(FePO4·xH2O)。

表3 除鐵渣中金屬質量分數 %

3 結論

以H2O2氧化—磷酸鹽沉淀法從硫化鎳礦石浸出液中除鐵是可行的，除鐵效果較好，適宜條件下，鐵去除率達98.17%，銅、鎳損失率僅1.50%和0.58%，除鐵后液中鐵質量濃度可降至0.337 g/L；體系中引入雙氧水可將Fe2+氧化為Fe3+，使與磷酸反應形成磷酸鐵而去除。除鐵渣中，鐵主要以無定形水合磷酸鐵(FePO4·xH2O)形式存在，銅、鎳含量非常低。