薛 平,李光強(qiáng),秦慶偉,魏明星

(1.武漢科技大學(xué) 耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430081;2.江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院,湖北 武漢 430056)

從廢舊金剛石刀頭中酸浸分離有價(jià)金屬熱力學(xué)分析及試驗(yàn)研究

薛 平1,2,李光強(qiáng)1,秦慶偉1,魏明星2

(1.武漢科技大學(xué) 耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430081;2.江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院,湖北 武漢 430056)

根據(jù)相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù),繪制了金剛石刀頭中主要金屬Cu、Zn、Fe的E-pH圖，研究了采用稀硫酸從廢金剛石刀頭中浸出Cu、Zn、Fe，考察了硫酸濃度、浸出時(shí)間、反應(yīng)溫度、攪拌速度及液固體積質(zhì)量比對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響。結(jié)果表明，采用3.0 mol/L的稀硫酸，在75 ℃、攪拌速度100 r/min、液固體積質(zhì)量比30∶1條件下浸出2 h，Zn、Fe浸出效果較好，Cu基本不浸出。

廢舊金剛石刀頭；硫酸；Cu；Zn；Fe；浸出

金剛石刀頭以人造金剛石為切割材料,碳化鎢為刀具胎體材料,金屬Cu粉、Zn粉、Fe粉為黏合劑，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)壓制而成,具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系數(shù)和高熱導(dǎo)低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)[1]。用金剛石刀頭切割過程中,會(huì)產(chǎn)生一定量的刀頭廢料。國(guó)內(nèi)某廠廢舊金剛石刀頭經(jīng)分析含F(xiàn)e、Cu、Zn，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為78%,10%和2%,具有極高的回收價(jià)值。

從金剛石刀頭中回收有價(jià)金屬一般先將其轉(zhuǎn)化為可溶性的鹽溶液,然后進(jìn)一步回收[2-10]。根據(jù)相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，計(jì)算并繪制體系Fe、Cu、Zn的E-pH圖,然后根據(jù)該圖考察用硫酸浸出金屬效果。

1 熱力學(xué)分析

E-pH圖可以把抽象的熱力學(xué)平衡關(guān)系用圖解方式表達(dá)出來[11]。用硫酸浸出廢舊金剛石刀頭過程中,設(shè)定溫度為25 ℃，金屬離子活度為1,氫氣與氧氣各為0.1 kPa[12-14],體系可能存在的相關(guān)化學(xué)反應(yīng)及平衡方程見表1。根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制的Cu-H2O、Fe-H2O和Zn-H2O體系的E-pH圖分別如圖1～3所示。

表1 體系可能存在的化學(xué)反應(yīng)及平衡方程

圖1 Cu-H2O系E-pH關(guān)系

圖2 Fe-H2O系E-pH關(guān)系

圖3 Zn-H2O系E-pH關(guān)系

所以,用一定濃度硫酸溶液浸出廢棄金剛石刀頭,Fe、Zn進(jìn)入溶液,再通過控制溶液pH、選擇沉淀法或萃取法可以分離Fe與Zn；Cu不被浸出而進(jìn)入渣中,可以通過添加氧化劑使之從渣中浸出并與碳化鎢及金剛石顆粒分離。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)原料與設(shè)備

廢舊金剛石刀頭中主要金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果見表1,XRD分析結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯篊u、Zn、Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近90%，以單質(zhì)或合金形式存在。

表1 廢舊金剛石刀頭中主要金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

圖4 廢舊金剛石刀頭樣品的XRD圖譜

其他試劑均為分析純，市售產(chǎn)品。

主要設(shè)備：電子恒溫磁力攪拌水浴鍋,JJ5179HW-1型，江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠;電子天平,Quintix-1cn型，德國(guó)賽多利斯集團(tuán);pHS-3C精密pH計(jì)，上海雷磁儀器廠；ICP分析儀,ICP-2000型，江蘇天瑞儀器廠。

2.2 試驗(yàn)方法

配制一定濃度硫酸溶液，與一定量廢舊金剛石刀頭破碎樣品混合后加入到三孔平底燒瓶中,燒瓶中插入攪拌槳、pH計(jì),另一孔用于取樣。在浸出一定時(shí)間后,從反應(yīng)器中取1 mL浸出液,適當(dāng)稀釋后用ICP檢測(cè)其中Cu、Zn、Fe質(zhì)量濃度。取樣后立即補(bǔ)充1 mL新鮮硫酸溶液。反應(yīng)溫度和攪拌速度由恒溫磁力攪拌水浴控制。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 硫酸濃度對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響

樣品質(zhì)量5 g,溫度65 ℃,浸出時(shí)間3 h,液固體積質(zhì)量比40∶1,攪拌速度200 r/min,硫酸濃度對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 硫酸濃度對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響

由圖5看出：Cu幾乎不被浸出；Fe浸出率隨硫酸濃度增大而提高,硫酸濃度在1.5～2.5 mol/L范圍內(nèi)，鐵浸出率保持穩(wěn)定,然后隨硫酸濃度增大而提高；Zn浸出率保持在80%左右,受硫酸濃度影響較小。這是因?yàn)椋篊u的電位在水的析氫電位以上,它在非氧化性酸性體系中不與H+反應(yīng)；而Fe與Zn的電位在水的析氫電位以下,在低酸度條件下極易與H+發(fā)生反應(yīng)生成金屬離子并放出氫氣。硫酸濃度過大,對(duì)設(shè)備腐蝕加重,并且金屬浸出率并沒有顯著提高,因此，試驗(yàn)選取適宜的硫酸濃度為3 mol/L。

3.2 浸出時(shí)間對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響

樣品質(zhì)量5 g,溫度65 ℃,硫酸濃度3.0 mol/L,液固體積質(zhì)量比為40∶1,攪拌速度200 r/min,浸出時(shí)間對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 浸出時(shí)間對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響

由圖6看出：Cu不被浸出；Fe浸出率隨浸出時(shí)間延長(zhǎng)而提高,浸出2 h時(shí),鐵浸出率趨于穩(wěn)定,此時(shí)反應(yīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,繼續(xù)延長(zhǎng)浸出時(shí)間,鐵浸出率提高幅度不大；Zn浸出率隨浸出時(shí)間延長(zhǎng)略有提高。綜合考慮，試驗(yàn)確定浸出時(shí)間以2 h為宜。

3.3 浸出溫度對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響

樣品質(zhì)量5 g,浸出時(shí)間2 h,硫酸濃度3.0 mol/L,液固體積質(zhì)量比40∶1,攪拌速度200 r/min,浸出溫度對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 浸出溫度對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響

由圖7看出：Cu不被浸出；Zn浸出率隨反應(yīng)溫度變化很??；Fe浸出率隨反應(yīng)溫度升高而提高,溫度為75 ℃時(shí)，F(xiàn)e浸出率達(dá)最大,之后隨升溫繼續(xù)升高而下降。這是因?yàn)椋簻囟容^低時(shí),升溫有利于擴(kuò)散和傳質(zhì)；而當(dāng)溫度過高,較高濃度的硫酸會(huì)隨水蒸汽揮發(fā)，進(jìn)而使浸出率下降。綜合考慮，試驗(yàn)確定適宜的反應(yīng)溫度為75 ℃。

3.4 攪拌速度對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響

樣品質(zhì)量5 g,浸出時(shí)間2 h,硫酸濃度3.0 mol/L,反應(yīng)溫度75 ℃,液固體積質(zhì)量比40∶1,攪拌速度對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 攪拌速度對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響

由圖8看出：Cu幾乎不被浸出，而Fe保持較高浸出率；Zn浸出率隨攪拌速度提高先小幅增大,在100 r/min時(shí)達(dá)最大,然后緩慢減小，整體上變化不大。綜合考慮，試驗(yàn)確定適宜的攪拌速度為100 r/min。

3.5 液固體積質(zhì)量比對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響

樣品質(zhì)量5 g,浸出時(shí)間2 h,硫酸濃度3.0 mol/L,反應(yīng)溫度75 ℃,攪拌速度100 r/min,液固體積質(zhì)量比對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 液固體積質(zhì)量比對(duì)Cu、Zn、Fe浸出率的影響

由圖9看出：Cu幾乎不被浸出；Zn、Fe浸出率隨液固體積質(zhì)量比增大有小幅波動(dòng),但都維持在較高水平，液固體積質(zhì)量比為30∶1時(shí)，鐵浸出率最大。綜合考慮，試驗(yàn)確定液固體積質(zhì)量比以30∶1為宜。

5 結(jié)論

通過熱力學(xué)分析,從理論上證明用一定濃度的硫酸從廢舊金剛石刀頭中浸出部分有價(jià)金屬是可行的。用硫酸浸出時(shí)，銅幾乎不被浸出而留在渣中，鋅與鐵保持較高的浸出率。

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Thermodynamic Analysis and Experimental Research on Acid Leaching of Valuable Metals From Waste Diamond Cutters

XUE Ping1,2，LI Guangqiang1，QIN Qingwei1，Wei Mingxing2

(1.KeyLaboratoryforFerrousMetallurgy&ResourcesUtilization，MinistryofEducation，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China;2.SchoolofElectromechanicalandArchitecturalEngineering,JianghanUniversity，Wuhan430056，China)

TheE-pH diagrams for the copper，zinc and iron in waste diamond cutters were drawn according to relevant thermodynamic data.The preliminary separation of three main metals can be achieved based on the thermodynamic analysis.The leaching of copper，zinc and iron were carried out.The influences of sulfuric acid concentration，leaching time，reaction temperature，stirring speed and liquid-to-solid ratio on leaching of copper，zinc and iron were examined.The results show that the using sulfuric acid solution of 3.0 mol/L as leaching agent，under the conditions of leaching time of 2 h，reaction temperature of 75 ℃，stirring speed of 100 r/min，liquid-to-solid ratio of 30∶1,zinc and iron can be leached effectively，and copper isn’t leached.

waste diamond cutters;sulfuric acid;copper;zinc;iron;leaching

2016-04-30

武漢市科技局項(xiàng)目( 2013071004010468)。

薛平(1982-)，男，湖北荊州人,博士研究生，講師，主要研究方向?yàn)橛猩苯鹳Y源循環(huán)。E-mail:xuep@jhun.edu.cn。

TF803.21

A

1009-2617(2017)01-0019-05

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.01.005