加壓浸出技術(shù)在回收銅冶煉廢渣有價金屬中的應(yīng)用

董偉麗，徐 吉

有價金屬泛指所有稀有金屬，雖然其數(shù)量稀少而且存在較大的提純與開采難度，卻是推動高新技術(shù)領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的重要原材料，更是國家重要戰(zhàn)略儲備物資。經(jīng)過相關(guān)科研人員的努力探究，發(fā)現(xiàn)在銅冶煉廢渣當(dāng)中存在豐富的有價金屬。如果能夠借助相關(guān)技術(shù)最大限度提取出銅冶煉廢渣當(dāng)中的有價金屬，使其得到有效回收，勢必可以促進(jìn)我國有價金屬產(chǎn)出量的大幅提升。然而，在現(xiàn)有的回收銅冶煉廢渣有價金屬提取技術(shù)當(dāng)中，加壓浸出技術(shù)表現(xiàn)出強大的整體優(yōu)勢。有必要針對該項技術(shù)進(jìn)行更深層次的探究，構(gòu)建起更加科學(xué)完善的技術(shù)應(yīng)用策略，使其在回收銅冶煉廢渣有價金屬提取領(lǐng)域內(nèi)得到更好的推廣與應(yīng)用。

1 加壓浸出技術(shù)應(yīng)用于銅冶煉廢渣有價金屬回收的背景

首先，鑒于鋅、鈷、鎳、錫、銻、鍺、銦等有價金屬在通訊技術(shù)、電子計算機、航空航天、醫(yī)藥衛(wèi)生、國防軍事等行業(yè)內(nèi)發(fā)揮著無可替代的重要作用，而很多有價金屬又富集于銅冶煉廢渣當(dāng)中。因此，為了促進(jìn)銅、鉛、鋅等冶煉企業(yè)原料中各種有價元素的回收與再利用，使這一部分稀缺金屬資源得到規(guī)范化回收與合理化拆解，并且賦予其新的利用價值，使其在相關(guān)行業(yè)內(nèi)得到高效利用。通過這一途徑，還可以有效避免各種重金屬對自然生態(tài)環(huán)境造成污染與破壞。因此，國家提倡冶金企業(yè)建立起完善的銅、鋁再生資源利用體系。為此，國家環(huán)保部門于2015年12月24日頒布了《砷污染防治技術(shù)政策》，并且在全國范圍內(nèi)打造了一批鋅、鈷、鎳、錫、銻、鍺、銦、貴金屬等回收利用及冶煉廢渣綜合利用示范工程。同時，帶動一大批高精尖科研人員參與到相關(guān)技術(shù)研發(fā)行列當(dāng)中，極大的推動了加壓浸出技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。通過這一系列舉措，為冶金企業(yè)利用加壓浸出技術(shù)對銅冶煉廢渣有價金屬進(jìn)行回收利用提供了極大的政策支持與技術(shù)保障，更為冶金企業(yè)創(chuàng)造新的效益增長點、擴大生產(chǎn)規(guī)模提供了更加廣闊的空間；其次，從砷、鉛、鎳等有價金屬的內(nèi)部成分上看，其本身具有一定毒性作用。而這些有價金屬又富集于銅冶煉廢渣當(dāng)中，一旦銅冶煉廠對于冶煉廢渣處理方式不得當(dāng)，極易對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染與破壞。為此，我國環(huán)保部門出臺了多項政策及法規(guī)，鼓勵含有價金屬物料產(chǎn)量較大的企業(yè)采取有效措施對廢渣當(dāng)中的有價金屬進(jìn)行提取與回收，使其中寶貴的有價金屬得到無害化處置和資源化處置，從而實現(xiàn)資源的高效合理利用。上述兩方面因素，同時為加壓浸出技術(shù)在回收銅冶煉廢渣有價金屬中的有效應(yīng)用提供了重要前提與必要保障。

2 銅冶煉廢渣的成分分析

在銅冶煉廢渣當(dāng)中，同時存在著有害物質(zhì)和有價金屬這兩類物質(zhì)。在有害物質(zhì)中，主要包括硫化砷渣、白煙塵、含鉛廢渣、含錸廢渣酸泥、硒碲硫渣、黑泥等；在有價金屬方面，包含砷、鉛、銅、硒、碲、錸、銦等多種金屬元素，這些有價金屬均具有相當(dāng)高的回收利用價值。但是，由于這些有價金屬富集于銅冶煉廢渣當(dāng)中，勢必會與各種有害物融合在一起。因此，需要借助科學(xué)有效的提取技術(shù)將有價金屬從有害物質(zhì)當(dāng)中剝離出來，方可達(dá)到可以回收利用的程度。目前，能夠在鉛冶煉廢渣當(dāng)中提取有價金屬的方法比較多。但是，在這些方法當(dāng)中加壓浸出技術(shù)的應(yīng)用效果最為顯著，具有更高的推廣應(yīng)用價值。加壓浸出技術(shù)具有濕法、火法、焙燒法等多種方法可供選擇，每一種方法都具有各自不同的優(yōu)勢特點。比如火法成本最低，而且操作方法簡單便捷；而濕法具有更高的環(huán)保價值和回收產(chǎn)品提純度。因此，與其他幾種方法相比，濕法更加符合提取有價金屬的核心要求。所以，以濕法為代表的加壓浸出有價金屬提純技術(shù)在國內(nèi)擁有最高的使用率和應(yīng)用效果。

3 加壓浸出技術(shù)在銅冶煉廢渣有價金屬回收中的應(yīng)用原理

3.1 反應(yīng)過程與設(shè)備應(yīng)用

在采用加壓浸出技術(shù)對銅冶煉廢渣中的有價金屬進(jìn)行回收提取時，會產(chǎn)生“MeS+1/2O2+2H+→Me2+SO+H2O”這一化學(xué)反應(yīng)。此化學(xué)反應(yīng)的過程雖然比較穩(wěn)定，但卻存在較高的反應(yīng)難度，而且反應(yīng)效率緩慢。從加壓浸出技術(shù)的操作步驟上看，主要存在加溫、加壓這兩個環(huán)節(jié)。該項技術(shù)的核心設(shè)備是高壓釜，一臺高壓釜設(shè)備當(dāng)中的入口、攪拌器、出口三個部分發(fā)揮出重要作用。在設(shè)備應(yīng)用的過程中，先將銅冶煉廢渣漿液從臥式高壓釜的入口處導(dǎo)入。之后，開啟電機，同時對釜內(nèi)的銅冶煉廢渣漿液進(jìn)行加溫和加壓；銅冶煉廢渣漿液在高溫與高壓的作用下，自動流向攪拌器；當(dāng)漿液中的有害物與有價金屬已經(jīng)達(dá)到分離狀態(tài)之后，停止攪拌；此后，讓含有有害物質(zhì)的漿液從出口處排出。而含有有價金屬的待浸出漿液經(jīng)過浸出提取之后，即可完成有價金屬的回收。

3.2 浸出原理

從加壓浸出技術(shù)的作用原理上看，主要是借助化學(xué)溶劑讓固體物質(zhì)發(fā)生溶解，為有價金屬的最終提取提供必要條件。由此看來，化學(xué)溶劑的選擇是非常關(guān)鍵一步。目前，較為常用的化學(xué)溶劑有水、酸、堿及鹽水溶液等等。而在選擇的過程中，需要依據(jù)待處理固體物質(zhì)的具體性質(zhì)而合理選定。如果操作人員所選擇的化學(xué)溶劑較為科學(xué)合理，溶解物質(zhì)與不可溶解物質(zhì)便會在化學(xué)溶解物的作用之下相互分離，最終完成有價金屬的浸出回收過程。目前，在利用加壓浸出技術(shù)進(jìn)地銅冶煉廢渣有價金屬回收的過程中，主要涉及到以下兩種應(yīng)用形式：第一種，常壓浸出。這是一種較為傳統(tǒng)的浸出方法，其劣勢在于可回收范圍較小。但是，在其可回收范圍之內(nèi)，這種方法非常穩(wěn)定且可靠。比如利用常壓浸法，可以從硫化砷渣、白煙塵這兩種物質(zhì)當(dāng)中分離出砷，從而實現(xiàn)有價金屬的回收；第二種，加壓浸出。這種方法雖然較為新穎，卻可以有效促進(jìn)物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，最終的處理效果也令人非常滿意。所以，加壓浸出技術(shù)一經(jīng)推出，便深受業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可，擁有相當(dāng)高使用率。但是，在浸出處理過程中，可能會同時涉及到液體、固體、氣體等多種物質(zhì)，由此產(chǎn)生較為復(fù)雜的多相反應(yīng)。在這種情況下，浸出率和浸出效果會受到浸出原料成分、粒度細(xì)度、化學(xué)溶劑濃度、礦漿濃度等多種因素的影響。基于這一情況，操作人員可以結(jié)合浸出處理的實際需求，在常壓浸出和加壓浸出當(dāng)中做出合理選擇。比如在針對低品位、礦物金屬成分復(fù)雜的原材料進(jìn)行浸出處理時，適合采用常壓浸出該當(dāng)。在針對高品位、礦物金屬成分簡單的原材料進(jìn)行浸出處理時，則適合采用加壓浸出方法。但是，總體而言，目前加壓浸出的使用率明顯高于常壓浸出，在有價金屬浸出領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)著主流地位。

3.3 影響因素

在針對銅冶煉廢渣進(jìn)行加壓浸出處理的過程中，會同步涉及到液體、固體、氣體等多種物質(zhì)的有效處理。這就意味著加壓浸出過種極有可能在各種物質(zhì)的共同參與與作用之下，產(chǎn)生較為復(fù)雜的多相反應(yīng)，進(jìn)而對浸出效果和浸出率造成負(fù)面影響。具體的影響因素及其負(fù)面作用表現(xiàn)在以下幾個方面：其一，原料成分。如果原料成分過于復(fù)雜或過于簡單，都會對浸出率造成不良影響；其二，粒度細(xì)度。粒度細(xì)度不足，會導(dǎo)致物質(zhì)無法充分溶解以及浸出受阻；粒度細(xì)度過大，會加大浸出成本，而且浸出液體與固狀物難以分離；其三，化學(xué)溶劑濃度。濃度過高，會因為浸出速度過程快導(dǎo)致浸出不充分；濃度過低會降低浸出效率，或者因多次投放化學(xué)溶劑增加成本以及工作量；其四，溫度。溫度過高，會導(dǎo)致可溶解度、反應(yīng)速率過高，有價金屬也隨之一起溶解，使浸出率受到嚴(yán)重影響；其五，礦漿濃度。礦漿濃度過高，會導(dǎo)致浸出率低；如果礦漿濃度過低，會導(dǎo)致浸出速度過快，對浸出效果造成負(fù)面影響。鑒于存在上述影響因素，在常壓狀態(tài)下，雖然可以通過化學(xué)溶劑的合理選擇使浸出準(zhǔn)確性獲得一定的保障，卻無法保證取得理想的浸出效率生浸出效果。也就是說，在應(yīng)用常壓浸出技術(shù)時，操作人員可以通過使用化學(xué)溶劑對銅冶煉廢渣當(dāng)中的有價金屬進(jìn)行浸出處理，但是，一旦存在溫度過低或者壓力過小等情況，就會對浸出效果造成負(fù)面影響。因此，采用常壓處理技術(shù)，只能處理一些低品位、礦物金屬成分較為復(fù)雜的原材料。要想針對那些高品位、礦物金屬成分簡單的原材料進(jìn)行浸出處理，并且取得較為理想的浸出效率和浸出效果，只能采用高溫+高壓浸出技術(shù)。

3.4 加壓浸出工藝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的冶煉行業(yè)廢渣有價金屬回收方式主要包括火法和濕法兩種類型。其中，火法時主要采用焙燒法，而濕法主要依托于浸出法。例如在采用焙燒法對砷進(jìn)行回收時，需要硫化砷渣經(jīng)過氧化焙燒，形成三氧化二砷之后，進(jìn)入煙氣，再經(jīng)過冷凝完成整個回收過程。此方法雖然工藝設(shè)備比較簡單，而且成本較低，但其回收率低和產(chǎn)品純度均不夠理想。不僅如此，在回收過程中，還極易造成環(huán)境污染。因此，目前焙燒法的使用率較低，更多的是采用浸出法。同樣以砷的回收為列，在使用加壓浸出技術(shù)這前，需要事先對砷濾餅進(jìn)行漿化、升溫處理，之后將漿料輸送至反應(yīng)釜當(dāng)中。同時，對反應(yīng)釜的壓力和溫度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。通常情況下，將反應(yīng)壓力設(shè)定在1.0MPa～1.1MPa之間，反應(yīng)溫度設(shè)定在160℃～170℃之間，反應(yīng)時長4h～6h之間。按照上述參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，便可以為溶解氧與銅砷硫化物在反應(yīng)釜當(dāng)中產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)提供一個適宜的環(huán)境，使原本固相的銅砷轉(zhuǎn)化成離子態(tài)的液相，并且將As3+氧轉(zhuǎn)化成為As5+。待浸出液冷卻過濾之后，還會經(jīng)歷還原結(jié)晶、離心分離、干燥包裝等多道工序，直至最終得到高純度砷。運用上述加壓浸出工藝技術(shù)路線對銅冶煉廢渣中的砷進(jìn)行提取，不僅浸出率高達(dá)97.68%，還不易對生態(tài)環(huán)境造成污染，具有較高的安全穩(wěn)定性。

4 加壓浸出技術(shù)的優(yōu)勢特點與現(xiàn)狀

在應(yīng)用加壓浸出技術(shù)在銅冶煉廢渣當(dāng)中提取回收有價金屬時，臥式反應(yīng)釜是主要設(shè)備，絕大多數(shù)回收操作都需要依靠此設(shè)備完成。該設(shè)備可以連續(xù)不間斷作業(yè)，而且浸出效率快、產(chǎn)出率高，浸出效果符合有價金屬純度要求。不僅如此，憑借加壓浸出技術(shù)及高壓釜設(shè)備還可以回收到非常珍貴的稀稀散有價金屬，這一點顯然是其它浸出技術(shù)所無法比擬的。與焙燒法等火法相浸出流程相比較而言，加壓浸出技術(shù)極大的簡化了導(dǎo)入物料的工序，使有價金屬回收效率獲得更加顯著的提升。另外，憑借加壓浸出技術(shù)獨特的“加壓浸出+還原”工藝，可以一次性得到產(chǎn)品級氧化砷。在這個浸出處理過程中，不會對環(huán)境造成任何污染，有效解決了砷害污染問題。

5 加壓浸出技術(shù)的研究方向

雖然加壓浸出技術(shù)具有非常顯著的技術(shù)優(yōu)勢，但實際應(yīng)用過程中，仍在存在一些亟待研究與解決的問題，是今后的重點研究方向。首先，在浸出過程中，尚未形成一個非常明確的標(biāo)準(zhǔn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)壓力數(shù)值。一方面在因為浸出技術(shù)本身需要面對較為復(fù)雜的物質(zhì)成分，難以針對標(biāo)準(zhǔn)溫度及壓力進(jìn)行界定。另一方面，這項技術(shù)在我國研究應(yīng)用起步時間較晚，所以其技術(shù)應(yīng)用體系還有待進(jìn)一步完善與改進(jìn)。目前可以確定的是，在預(yù)處理階段應(yīng)用加壓浸出技術(shù)，可有效增強物質(zhì)顆粒的反應(yīng)活化性，從而獲得更高的有價金屬回收率。目前，研究人員又提出了熱活化、超聲波活化以及輻射活化等多種方法，極大的促進(jìn)了該項技術(shù)應(yīng)用水平的提升；同時，借助催化劑還可以進(jìn)一步保障提純效果。此外，在應(yīng)用加壓浸出技術(shù)的過程中，雖然化學(xué)溶劑的使用量有所降低，卻仍然沒有達(dá)到徹底擺脫化學(xué)溶劑的程度，這就意味著依然存在一定的化學(xué)污染。針對這一問題，需要相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)一步進(jìn)行研究與創(chuàng)新，研制出既可以替代化學(xué)溶劑又不會造成污染的新型溶劑；再者，在應(yīng)用加壓浸出技術(shù)時，會應(yīng)用到一些強腐蝕性介質(zhì)。而一些儀器設(shè)備在而這些強腐蝕介質(zhì)的長期作用之下，必然會造成某些零部件的損傷，當(dāng)這種損傷嚴(yán)重到一定程度時，就是引發(fā)設(shè)備故障，進(jìn)而對浸出效率與回收效果造成負(fù)面影響。對于這一問題，目前尚未提出有效的解決方法，一方面浸出儀器設(shè)備故障率居高不下，另一方面需要企業(yè)花費高額設(shè)備維修費用。這兩方面問題對加壓浸出技術(shù)的推廣與普及應(yīng)用構(gòu)成嚴(yán)重阻礙。

6 加壓浸出技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及流程

目前，我國冶金行業(yè)已經(jīng)基于加壓浸出技術(shù)現(xiàn)有的研究成果，針對有價金屬回收出臺了一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與執(zhí)行規(guī)范。為操作人員制訂有價金屬回收方案提供了參考依據(jù)。在現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，針對反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、反應(yīng)時間、排出壓力等核心指標(biāo)提出了具有指導(dǎo)意義和參考價值的技術(shù)參數(shù)，并且制訂了預(yù)處理、加溫、漿液導(dǎo)入、加壓與控溫、還原反應(yīng)、浸出處理、成品這一操作流程。以銅冶煉廢渣內(nèi)當(dāng)中提取砷為例，對此標(biāo)準(zhǔn)化浸出流程進(jìn)行具體說明：首先，預(yù)處理是指在銅冶金廢渣當(dāng)中挑選出砷濾餅，之后再將投入到煉渣爐當(dāng)中其進(jìn)行漿化處理，當(dāng)溫度達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時，即可將其導(dǎo)入到臥式反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行施壓與加熱。在這個過程當(dāng)中，操作人員要做好溫度控制，并且適時導(dǎo)入化學(xué)溶劑，使?jié){化后的砷濾餅與溶解氧之間產(chǎn)生氧化反應(yīng)。此時，砷濾餅內(nèi)的銅砷硫化物便逐漸轉(zhuǎn)化成為離子狀態(tài)，其內(nèi)部As3+也會氧化成為As5+，最終得到浸出液。再針對浸出液進(jìn)行冷卻、過濾、還原結(jié)晶、離心分離、干燥包裝等處理，便可以得純度高達(dá)97%以上的砷。

7 實例驗證

某大型銅冶煉廠在冶煉生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)出大量冶煉廢渣。該企業(yè)為了積極響應(yīng)國家號召，支持環(huán)保事業(yè)，同時為自身創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益，引進(jìn)了加壓浸出技術(shù)，用于對冶煉廢渣當(dāng)中的有價金屬進(jìn)行回收。為此，企業(yè)引進(jìn)了4.4*18米煉渣爐及相關(guān)配套設(shè)備，按照預(yù)處理→加溫→漿液導(dǎo)入→加壓與控溫→還原反應(yīng)→浸出處理→成品這一操作流程得到高到99%的砷回收率。在制訂高壓浸出技術(shù)應(yīng)用方案進(jìn)，各項核心指標(biāo)分別為：反應(yīng)溫度158℃，反應(yīng)壓力1.2MPa，反應(yīng)時長5.5h～5.7h，排出壓力0.4MPa～0.5MPa。此外，企業(yè)在同等加壓浸出技術(shù)應(yīng)用條件下，又針對對銅、錸等有價金屬進(jìn)行了回收處理。其中，銅回收率達(dá)到85%，錸回收率高達(dá)98%。通過應(yīng)用加壓浸出技術(shù)不，該銅冶煉企業(yè)不僅對銅冶煉廢渣發(fā)中的有價金屬進(jìn)行了高效回收，為企業(yè)創(chuàng)造了非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益，更為稀缺資源高效利用以及國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出巨大貢獻(xiàn)。

8 結(jié)語

在我國，以砷、鉛、鋅、錸、銦為代表的有價金屬雖然存在較大的開采難度，而且總體開采量比較小。但在通訊技術(shù)、電子計算機、航空航天、醫(yī)藥衛(wèi)生、軍事領(lǐng)域內(nèi)，有價金屬卻具有非常高的應(yīng)用價值。在銅冶煉廢渣當(dāng)中，含有的豐富的有價金屬，而加壓浸出技術(shù)在有價金屬提取方面具有較高推廣價值。通過應(yīng)用此項技術(shù)，不僅浸出率較高，還不會造成環(huán)境污染，可有效促進(jìn)我國有價金屬產(chǎn)量的提升。相關(guān)技術(shù)人員還要針對加壓浸出技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行持續(xù)不斷研究，使這項技術(shù)呈現(xiàn)出更高的應(yīng)用水平。