再生銅煙塵硫酸浸出銅、鋅試驗研究

詹有北，王 平，周國杰，許晨翔

（1.江西自立環保科技有限公司，江西 撫州 344000；2.江西省有色金屬再生利用技術創新中心，江西 撫州 344000）

再生銅資源相對于銅礦資源屬于二次資源，其原料種類繁多，來源廣泛，主要有銅加工行業的邊角料、碎屑和社會淘汰日常用品拆解回收的含銅物品［1］。這些再生銅原料依據銅品位高低分別采用一段法、二段法等火法冶煉工藝回收有價金屬銅，同時產生再生銅煙塵等危險廢物［2－3］。若將再生煙塵直接放置在環境中，會對環境造成污染，直接影響動、植物的生長發育，間接影響人類的身心健康［4］。再生銅煙塵中含有銅、鋅、鉛、錫等有價金屬，在礦場資源日漸減少以及金屬消費日漸增加的雙重壓力下，再生銅煙塵的回收利用也愈加受到關注，回收再生銅煙塵中銅、鋅、鉛、錫等有價金屬勢在必行。

本試驗研究了利用硫酸從再生銅煙塵中浸出銅、鋅，與煙塵中鉛、錫等金屬分離出來以便進一步綜合回收鉛、錫，提高資源的綜合利用率。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原料

試驗煙塵來自某公司再生廢雜銅精煉爐產生的再生銅煙塵，該煙塵為白色粉末，經105℃烘干，過80目篩。其主要化學成分見表1。硫酸為分析純。

物相分析結果表明，煙塵中鋅主要以ZnO形式存在，存在少量的ZnSO4、ZnS、ZnFe2O4；銅以CuO形式存在；鉛、錫主要以PbO和SnO2形式存在。

1.2 試驗原理

本試驗采用硫酸浸出再生銅煙塵中銅、鋅、鉛等元素，主要反應方程式如下：

ZnO＋H2SO4＝ZnSO4＋H2O

CuO＋H2SO4＝CuSO4＋H2O

PbO＋H2SO4＝PbSO4＋H2O

ZnFe2O4＋4H2SO4＝ZnSO4＋Fe2（SO4）3＋4H2O

Fe2O3＋3H2SO4＝Fe2（SO4）3＋3H2O

As2O3＋3H2SO4＝As2（SO4）3＋3H2O

1.3 試驗方法

試驗采用正交試驗方法，以浸出溫度、硫酸用量、反應時間、液固比為主控因素采用L9（34）正交表，考察浸出溫度、硫酸用量、反應時間、液固比對再生銅煙塵硫酸浸出銅、鋅的影響，并經過極差分析出四因素對銅、鋅浸出的優先順序。再采用單因素條件試驗，系統考察浸出溫度、硫酸用量、反應時間、液固比對銅、鋅浸出率的影響，確定最佳工藝條件。正交因素水平表見表2。

表2 正交因素水平表

酸浸試驗在恒溫水浴鍋進行，保證反應溫度差維持在±2℃。取100g再生銅煙塵與配制好濃度的硫酸溶液分別加入燒杯，放入已升溫至浸出溫度的恒溫水浴鍋內。反應一段時間后，過濾料漿，洗滌濾渣，干燥，分析浸出渣中銅、鋅含量。按式（1）計算銅、鋅浸出率。

式中：m0為再生銅煙塵質量，g；C0為再生銅煙塵中元素質量分數，%；m1為浸出渣質量，g；C1為浸出渣中元素質量分數，%。

2 試驗結果與討論

2.1 正交試驗

本試驗以浸出溫度、硫酸用量、反應時間、液固比為主控因素，采用L9（34）正交表進行9次試驗經過極差分析出四因素對銅、鋅浸出的優先順序，試驗結果見表3。

表3 試驗結果

根據表3試驗結果可知，在正交試驗所設置的水平范圍內，浸出溫度是影響再生銅浸出銅、鋅的主控因素，其次是硫酸用量，次之是反應時間，影響最小的是液固比，這說明浸出溫度對再生銅煙塵浸出銅、鋅反應速率影響最大。

2.2 單因素試驗

2.2.1 浸出溫度對銅、鋅浸出的影響

固定浸出條件：再生銅煙塵粒度－80目，硫酸用量為理論硫酸用量1.4倍，反應時間2h，液固比6∶1，攪拌速度400r／min，考查浸出溫度對再生銅煙塵硫酸浸出銅、鋅的影響，結果如圖1所示。

圖1 浸出溫度對銅、鋅浸出率的影響

再生銅煙塵中銅、鋅等物質與硫酸發生酸堿中和反應，反應初期依靠反應熱升高料漿浸出溫度至40℃左右，試驗考察浸出溫度最低為40℃。從圖1可知，隨著浸出溫度升高，銅、鋅浸出率也逐漸增加，浸出溫度升高，分子平均動能增大，其運動速度加快，導致浸出速度加快，浸出率增加。當浸出溫度升高到60℃后，銅、鋅的浸出率分別為91.26%、98.23%。繼續提高反應浸出溫度，銅、鋅浸出率變化不大，因此浸出浸出溫度以60℃為宜。

2.2.2 硫酸用量對銅、鋅浸出率的影響

固定浸出條件：再生銅煙塵粒度－80目，浸出溫度60℃，反應時間2h，液固比6∶1，攪拌速度400 r／min，考查硫酸用量對再生銅煙塵硫酸浸出銅、鋅的影響，結果如圖2所示。

圖2 硫酸用量對銅、鋅浸出率的影響

從圖2可知，隨著硫酸用量逐漸增加，銅、鋅的浸出率也隨之增加。硫酸浸出氧化鋅的吉布斯自由能比硫酸浸出氧化銅的吉布斯自由能更負，所以在硫酸介質中氧化鋅更容易浸出。當硫酸用量為理論硫酸用量的1.2倍時，銅、鋅浸出率分別為90.28%和97.53%，繼續增加硫酸用量，銅、鋅浸出率變化不大，因此硫酸用量以理論硫酸用量的1.2倍為宜。

2.2.3 反應時間對銅、鋅浸出率的影響

固定浸出條件：再生銅煙塵粒度－80目，浸出溫度60℃，硫酸用量為理論硫酸用量的1.2倍，液固比6∶1，攪拌速度400r／min，考查反應時間對再生銅煙塵硫酸浸出銅、鋅的影響，結果如圖3所示。

圖3 反應時間對銅、鋅浸出率的影響

從圖3可知，反應時間為30min時，銅、鋅浸出率分別為62.85%、79.62%。延長反應時間，銅、鋅浸出率逐漸增加，當反應時間達到120min時銅、鋅浸出率增加到89.92%、96.89%，繼續延長反應時間，銅、鋅浸出率變化不大，因此反應時間以2h為宜。

2.2.4 液固比對銅、鋅浸出率的影響

固定浸出條件：再生銅煙塵粒度－80目，浸出溫度60℃，硫酸用量為理論硫酸用量的1.2倍，反應時間2h，攪拌速度400r／min，考查液固比對再生銅煙塵硫酸浸出銅、鋅的影響，結果如圖4所示。

圖4 液固比對銅、鋅浸出率的影響

從圖4可知，液固比增加，銅、鋅浸出率有著明顯增加。再生銅煙塵硫酸浸出反應為固、液兩相反應，增大液固體比有利于兩相反應物交互擴散，從而提高反應速率。當液固比為5∶1時，銅、鋅浸出率分別為91.62%、98.31%。繼續提高液固比，銅、鋅浸出率增加不明顯。因此浸出反應液固比以5∶1為宜。

2.3 綜合條件試驗

試驗條件：浸出溫度60℃、硫酸用量為理論硫酸用量的1.2倍、反應時間2h、液固比5∶1，攪拌速度400r／min，試驗結果見表4。

表4 綜合試驗結果 %

3 結 論

1.選取浸出溫度、硫酸用量、反應時間、液固比為主控因素，對再生銅煙塵進行正交試驗，結果表明浸出溫度是影響再生銅浸出銅、鋅的主控因素，其次是硫酸用量，次之是反應時間，影響最小的是液固比。

2.通過單因素條件試驗得到最佳浸出條件是浸出溫度60℃、硫酸用量為理論硫酸用量的1.2倍、反應時間2h、液固比5∶1，在此條件下再生銅煙塵銅、鋅浸出率分別為91.32%、98.21%。