汪金良，胡華舟，陳亞州

(江西理工大學(xué) 工程研究院，江西 贛州 341000)

目前，鉛陽極泥主要采用火法工藝處理，其中的Te、Bi、Cu等有價(jià)金屬在氧化精煉后期富集進(jìn)入蘇打渣中[1-3]。從蘇打渣中浸出Te、Bi、Cu主要有中性浸出[4]、堿浸[5-8]、酸浸[9-11]、硫化物浸出[12]和酸堿聯(lián)合浸出[13]等方法。但這些方法存在或有價(jià)金屬被浸出的同時(shí)其他金屬雜質(zhì)也被同時(shí)浸出，或回收元素單一不能實(shí)現(xiàn)綜合回收，或工藝流程長、廢水產(chǎn)生量大，或設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、操作環(huán)境差等問題。為此，根據(jù)鉛陽極泥蘇打渣的物相組成特點(diǎn)，在分析浸出熱力學(xué)基礎(chǔ)上，研究提出采用兩段鹽酸浸出工藝回收有價(jià)金屬，以期解決高酸度和高液固體積質(zhì)量比帶來的問題，實(shí)現(xiàn)有價(jià)金屬的高效浸出與富集。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用蘇打渣取自某鉛冶煉廠鉛陽極泥處理工段，干燥后的ICP-MS、XRD表征結(jié)果分別見表1、圖1。由表1可知，蘇打渣中Te、Bi、Cu分別占14.32%、40.00%、7.37%。由圖1看出，物相以Bi2O3、TeO2、Bi2TeO6和CuBi2O4為主，具有較高的綜合回收價(jià)值。

表1 蘇打渣的化學(xué)成分 %

圖1 蘇打渣的XRD圖譜

1.2 試驗(yàn)方法

蘇打渣鹽酸浸出試驗(yàn)在同步數(shù)顯恒速電動攪拌器(RHYG-4S)中進(jìn)行。取50 g蘇打渣，于500 mL燒杯中進(jìn)行浸出。浸出率計(jì)算公式為

(1)

式中：μ(Me)為Me浸出率，%；m0為蘇打渣質(zhì)量，g；w(Me)為蘇打渣中某元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ρ(Me)為浸出液中某金屬元素質(zhì)量濃度，g/L；V1為浸出液體積，mL。

2 浸出熱力學(xué)分析

2.1 浸出反應(yīng)

基于蘇打渣XRD圖譜和鉛陽極泥回收工藝，選擇鹽酸體系進(jìn)行浸出。發(fā)生的反應(yīng)如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2.2 浸出熱力學(xué)計(jì)算

鹽酸體系浸出蘇打渣過程中，金屬元素價(jià)態(tài)沒有發(fā)生變化，因此浸出反應(yīng)可概括為

(9)

則反應(yīng)平衡常數(shù)K和ΔrGm分別為：

(10)

(11)

(12)

蘇打渣浸出過程中，各化合物在不同溫度下的標(biāo)準(zhǔn)摩爾自由能見表2[14]。

表2 主要化合物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾自由能

將表2數(shù)據(jù)代入式(12)中，可得不同溫度下lg[Men+]與pH之間的關(guān)系，如圖2所示。

a—298 K；b—323 K；c—348 K。

由圖2看出：在同一溫度條件下，隨pH降低，浸出液中各Men+濃度不斷升高；從熱力學(xué)角度考慮，升溫不利于有價(jià)金屬的浸出；Te被浸出時(shí)，Bi、Cu等也被一并浸出，其他元素在高酸度下也被一并浸出。所以，在高酸度和較低溫度下共浸出Te、Bi、Cu在熱力學(xué)上是可行的。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 鹽酸濃度對蘇打渣浸出的影響

在溫度55 ℃、液固體積質(zhì)量比5/1、攪拌速度300 r/min條件下浸出2 h，鹽酸濃度對蘇打渣浸出的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 鹽酸濃度對蘇打渣浸出的影響

由圖3看出，鹽酸濃度為5 mol/L時(shí)，Te、Bi、Cu浸出率均達(dá)最大，分別為89.06%、94.10%、95.77%。為保證反應(yīng)充分進(jìn)行，可適當(dāng)提高酸度；但若酸度過高，設(shè)備腐蝕加重、操作環(huán)境惡劣：因此，鹽酸濃度以不超過5 mol/L為宜。

3.2 溫度對蘇打渣浸出的影響

在鹽酸濃度5 mol/L、液固體積質(zhì)量比5/1、攪拌速度300 r/min條件下浸出2 h，溫度對蘇打渣浸出的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度對蘇打渣浸出的影響

由圖4看出：溫度對浸出的影響與上述熱力學(xué)分析結(jié)果一致，在常溫基礎(chǔ)上，適當(dāng)升高溫度，可在一定范圍內(nèi)強(qiáng)化浸出過程，促進(jìn)鹽酸與生成物的擴(kuò)散；隨溫度升高，Cu、Te浸出率有所提高，而Bi浸出率變化不大。但溫度過高，鹽酸揮發(fā)量加大，操作環(huán)境變差，綜合考慮，確定溫度以40 ℃為宜。

3.3 反應(yīng)時(shí)間對蘇打渣浸出的影響

在鹽酸濃度5 mol/L、液固體積質(zhì)量比5/1、溫度40 ℃、攪拌速度300 r/min條件下，反應(yīng)時(shí)間對蘇打渣浸出的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對蘇打渣浸出的影響

由圖5看出，反應(yīng)2 h時(shí)，Te、Bi、Cu浸出率分別達(dá)88.39%、93.16%、92.38%，浸出效果較好。為保證有價(jià)金屬充分浸出，可適當(dāng)延長反應(yīng)時(shí)間；但反應(yīng)時(shí)間過長，鹽酸揮發(fā)量加大，且生產(chǎn)效率會降低；而Bi浸出率隨反應(yīng)時(shí)間從2 h延長至3 h提高不明顯：綜合考慮，確定反應(yīng)時(shí)間以2 h為宜。

3.4 攪拌速度對蘇打渣浸出的影響

在鹽酸濃度5 mol/L、液固體積質(zhì)量比5/1、溫度40 ℃條件浸出2 h，攪拌速度對蘇打渣浸出的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 攪拌速度對蘇打渣浸出的影響

由圖6看出：隨攪拌速度增大，鹽酸與蘇打渣的傳質(zhì)過程得以加強(qiáng)，有利于金屬離子與氯離子之間反應(yīng)，Te、Bi、Cu浸出率提高；攪拌速度增至300 r/min時(shí)，Te、Bi、Cu浸出率穩(wěn)定在90%左右；再繼續(xù)增大攪拌速度，對浸出過程無明顯促進(jìn)作用。因此，確定攪拌速度以300 r/min為宜。

3.5 液固體積質(zhì)量比對蘇打渣浸出的影響

在鹽酸濃度5 mol/L、浸出溫度40 ℃和攪拌速度300 r/min條件下浸出2 h，液固體積質(zhì)量比對蘇打渣浸出的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 液固體積質(zhì)量比對蘇打渣浸出的影響

由圖7看出：Te、Bi、Cu浸出率隨液固體積質(zhì)量比增大均顯著提高；液固體積質(zhì)量比增大至7/1后，Te、Bi、Cu浸出率趨于穩(wěn)定，分別達(dá)92.23%、95.10%、94.05%。隨液固體積質(zhì)量比增大，浸出液黏度降低、流動性變好，同時(shí)也提供了足夠的氯離子，有利于有價(jià)金屬的浸出和金屬配離子的形成。

用鹽酸體系浸出蘇打渣可實(shí)現(xiàn)有價(jià)金屬的共同浸出，但只有在高液固體積質(zhì)量比條件下有價(jià)金屬浸出率才達(dá)90%，這樣浸出液中Te、Bi、Cu濃度較低、酸耗較大；而在低液固體積質(zhì)量比(4/1)條件下浸出，Te浸出率不高。所以，對低液固體積質(zhì)量比條件下的浸出渣進(jìn)行高液固體積質(zhì)量比條件下的二次浸出。

液固體積質(zhì)量比為4/1時(shí)所得浸出渣的ICP-MS分析結(jié)果表明，Te、Bi、Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.21%、13.69%和4.61%。增大液固體積質(zhì)量比對一次浸出渣進(jìn)行二次浸出。二次浸出條件：鹽酸濃度5.0 mol/L，浸出時(shí)間2 h，溫度40 ℃，液固體積質(zhì)量比7/1，攪拌速度300 r/min。試驗(yàn)結(jié)果見表3，二次浸出渣的ICP-MS分析結(jié)果見表4。

表3 一次浸出渣的二次浸出試驗(yàn)結(jié)果

表4 二次浸出渣的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

由表3、4看出：二次浸出可有效浸出一次浸出渣中殘留的Te、Bi、Cu元素；經(jīng)過二次浸出，Te、Bi、Cu總浸出率明顯提高，Te、Bi、Cu得到有效浸出和富集；但部分Fe、Pb、As等也進(jìn)入浸出液。

3.6 浸出液循環(huán)利用

兩次浸出過程中，其他浸出條件都相同，僅液固體積質(zhì)量比不同，因此，在二次浸出液體積較小前提下，補(bǔ)充一定量鹽酸后可返回浸出蘇打渣，不會影響浸出液體積平衡，可實(shí)現(xiàn)浸出液循環(huán)利用和廢水零排放。蘇打渣兩次逆流浸出試驗(yàn)結(jié)果見表5?？梢钥闯觯谓鲆貉a(bǔ)充一定量鹽酸后返回一次浸出是可行的，而且避免了體系高酸度對設(shè)備的腐蝕。

表5 蘇打渣的兩次逆流浸出試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

用鹽酸體系可實(shí)現(xiàn)蘇打渣中Te、Bi、Cu等有價(jià)金屬的一步浸出。在鹽酸濃度5.0 mol/L、溫度40 ℃、攪拌速度300 r/min、一段浸出液固體積質(zhì)量比4/1、二段浸出液固體積質(zhì)量比7/1條件下浸出2 h，Te、Bi、Cu浸出率分別達(dá)97.60%、99.64%、99.38%。此兩段浸出工藝流程簡單、操作方便，蘇打渣中Te、Bi、Cu實(shí)現(xiàn)有效回收，解決了鉛陽極泥蘇打渣處理流程長、金屬回收率低等問題。該工藝已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，蘇打渣處理效果較為理想。