于文圣
(中國(guó)有色集團(tuán)剛果礦業(yè)有限公司,剛果(金) 加丹加盧本巴希)
剛果(金)的銅鈷資源中,鈷與銅密切伴生,為典型的砂頁(yè)巖型沉積礦床[1-2],礦石銅鈷品位2%~9%[3]。礦石中,銅礦物主要為孔雀石、赤銅礦、黑銅礦、藍(lán)輝銅礦、銅藍(lán)、磷銅礦及藍(lán)銅礦等,鈷礦物主要為鈷白云石、水鈷礦及菱鈷礦等,剛果(金)的銅鈷礦石主要采用酸浸—溶劑萃取—不溶陽(yáng)極電積工藝處理[4-6]。酸浸方案主要有以下幾種:一是常規(guī)硫酸浸出;二是選擇性浸出,即先浸銅后浸鈷;三是直接還原浸出。直接還原浸出只需一步即可將銅、鈷溶出,相比選擇性浸出工藝流程短,操作簡(jiǎn)單;與常規(guī)硫酸浸出相比,銅、鈷回收率高。因此,對(duì)剛果(金)銅鈷氧化礦石進(jìn)行直接還原浸出研究。
礦石中,鈷大部分以水鈷礦形式存在,浸出時(shí)必須加入還原劑將鈷還原。所用還原劑主要有焦亞硫酸鈉[7]、二氧化硫[8]、硫酸亞鐵[9]、亞硫酸鈉[10-14]。用硫酸亞鐵作還原劑,浸出效果較好,但Fe2+的引入導(dǎo)致浸出液中鐵含量升高,給后續(xù)凈化除鐵造成困難,鈷損失加大;用二氧化硫作還原劑,操作及浸出過(guò)程不可避免會(huì)有SO2氣體逸出;焦亞硫酸鈉比亞硫酸鈉的還原性強(qiáng),較二氧化硫的使用更為方便,剛果(金)當(dāng)?shù)氐臐穹ㄒ睙捚髽I(yè)大多采用焦亞硫酸鈉作還原劑。試驗(yàn)以焦亞硫酸鈉為還原劑,采用直接還原浸出技術(shù),以期實(shí)現(xiàn)銅、鈷最大限度浸出。
試驗(yàn)原料:鈷氧化礦石,由中國(guó)有色集團(tuán)剛果礦業(yè)有限公司提供,主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。礦石中耗酸的堿性氧化物,如氧化鈣、氧化鎂和氧化鋁等含量較低,鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.32%,有回收價(jià)值的金屬元素主要是銅和鈷。銅的物相主要是自由氧化銅和結(jié)合氧化銅,占98.64%;鈷的主要物相是氧化鈷(58.06%),其次是碳酸鹽中的鈷(30.2%)和其他形式的鈷(11.74%)。
表1 銅鈷氧化礦石主要化學(xué)成分 %
主要試劑:濃硫酸,分析純,96%~98%;焦亞硫酸鈉,工業(yè)級(jí)。
試驗(yàn)主要儀器:振動(dòng)磨樣機(jī),振動(dòng)套篩,數(shù)顯磁力攪拌器,數(shù)顯pH計(jì),旋片式真空泵,抽濾瓶,布氏漏斗,電子天平,電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱等。
試驗(yàn)原理:以焦亞硫酸鈉作還原劑,硫酸為浸出劑,直接還原浸出銅鈷氧化礦,礦石中的銅及二價(jià)鈷與硫酸反應(yīng)生成可溶性CuSO4與CoSO4;礦石中的三價(jià)鈷在焦亞硫酸鈉作用下被還原成二價(jià)鈷,之后被硫酸浸出。直接還原浸出化學(xué)反應(yīng)為:
(1)
(2)
4CoSO4+Na2SO4+3H2O。
(3)
試驗(yàn)方法:將100 g試樣放入1 000 mL燒杯中,按一定液固體積質(zhì)量比制成礦漿;將燒杯置于數(shù)顯磁力攪拌器上,啟動(dòng)攪拌及加熱按鈕;向燒杯中緩慢加入一定量硫酸,待溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),通過(guò)膠管將高位槽內(nèi)的焦亞硫酸鈉溶液沿?zé)瓋?nèi)壁從底部滴加入礦漿中,并開(kāi)始計(jì)時(shí);反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行固液分離,得到浸出液和浸出渣;浸出渣用水洗滌2次,洗滌時(shí)洗水與渣體積質(zhì)量比為1/1;浸出液與洗液合并,分析鈷、銅質(zhì)量濃度;浸出渣烘干、稱(chēng)重,分析鈷、銅質(zhì)量分?jǐn)?shù);根據(jù)渣質(zhì)量和渣中銅、鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別計(jì)算鈷、銅浸出率。
試驗(yàn)條件:礦石質(zhì)量100 g,硫酸加入量為礦石質(zhì)量的9.5%,液固體積質(zhì)量比3/1,焦亞硫酸鈉加入量為理論量的1.5倍,浸出時(shí)間120 min,常溫(不加熱)。礦石粒度對(duì)銅、鈷浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示??梢钥闯觯恒~浸出率受礦石粒度影響不大,-200目礦石占45%以上時(shí),銅浸出率均大于92%;鈷浸出率則隨礦石粒度減小而顯著提高。這主要是因?yàn)殂~鈷氧化礦石中大部分鈷與不可溶性脈石并不是相互嵌布結(jié)構(gòu),磨礦粒度越細(xì),比表面積越大,與還原劑、浸出劑接觸概率越大,反應(yīng)越徹底??紤]到磨礦成本、浸出后礦漿過(guò)濾性能及后續(xù)溶液處理要求,確定礦石粒度以-200目占60%為宜。
圖1 礦石粒度對(duì)銅、鈷浸出率的影響
試驗(yàn)條件:礦石質(zhì)量100 g,礦樣粒度-200目占60%,液固體積質(zhì)量比3/1,焦亞硫酸鈉加入量為理論量的1.5倍,常溫(不加熱)下攪拌浸出120 min。硫酸加入量(與礦石質(zhì)量比)對(duì)銅、鈷浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
圖2 硫酸加入量對(duì)銅、鈷浸出率的影響
圖2看出,隨硫酸加入量增加,銅、鈷浸出率均提高。銅鈷氧化物的直接還原浸出過(guò)程是一個(gè)耗酸過(guò)程,酸用量多反應(yīng)更充分;礦石中的雜質(zhì)也需要消耗一定量酸,表現(xiàn)在硫酸加入量增大到10%后,銅、鈷浸出率都略有升高。考慮到經(jīng)濟(jì)因素及后續(xù)溶液處理要求,確定硫酸加入量(與礦石質(zhì)量比)以不低于10%為宜。
試驗(yàn)條件:礦石質(zhì)量100 g,礦石粒度-200目占60%,液固體積質(zhì)量比3/1,硫酸加入量為礦石質(zhì)量的10%,焦亞硫酸鈉加入量為理論量的1.5倍,常溫(不加熱)下攪拌浸出。浸出時(shí)間對(duì)銅、鈷浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示??梢钥闯觯恒~、鈷浸出率隨浸出時(shí)間延長(zhǎng)而提高;浸出60 min后,銅浸出率變化不大;浸出180 min時(shí),鈷浸出率達(dá)最大90.64%。試驗(yàn)條件下,銅浸出率均在91%以上,說(shuō)明礦石中含銅礦物與硫酸反應(yīng)較易進(jìn)行。綜合考慮,確定浸出時(shí)間以120 min為宜。
圖3 浸出時(shí)間對(duì)銅、鈷浸出率的影響
試驗(yàn)條件:礦石質(zhì)量100 g,礦石粒度-200目占60%,液固體積質(zhì)量比3/1,硫酸加入量為礦石質(zhì)量的10%,常溫(不加熱)下攪拌浸出120 min。還原劑焦亞硫酸鈉加入量對(duì)銅、鈷浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
圖4 還原劑加入量對(duì)銅、鈷浸出率的影響
由圖4看出:隨還原劑用量增加,銅浸出率變化不大,均在95.5%以上,說(shuō)明還原劑的加入對(duì)銅浸出率影響較??;而鈷浸出率隨還原劑加入量增加而迅速提高,當(dāng)還原劑加入量為理論量的1.5倍時(shí),鈷浸出率提高到87.24%,之后提高幅度變小。說(shuō)明礦石中以水鈷礦形式存在的鈷,在一定量還原劑存在條件下可被浸出。綜合考慮,確定還原劑加入量為理論量的1.5倍為宜。
試驗(yàn)條件:礦石質(zhì)量100 g,礦石粒度-200目占60%,硫酸加入量為礦石質(zhì)量的10%,焦亞硫酸鈉加入量為理論量的1.5倍,常溫(不加熱)下攪拌浸出120 min。液固體積質(zhì)量比對(duì)銅、鈷浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
圖5 液固體積質(zhì)量比對(duì)銅、鈷浸出率的影響
由圖5看出,隨液固體積質(zhì)量比增大,銅、鈷浸出率都略有降低。在硫酸加入量一定條件下,隨液固體積質(zhì)量比增大,始酸濃度降低,從而導(dǎo)致浸出強(qiáng)度下降。液固體積質(zhì)量比過(guò)大會(huì)導(dǎo)致浸出和液固分離過(guò)程負(fù)荷加大,所以綜合考慮,液固體積質(zhì)量比以3/1較為適宜。
試驗(yàn)條件:礦石質(zhì)量100 g,礦石粒度-200目占60%,液固體積質(zhì)量比3/1,硫酸加入量為礦石質(zhì)量的10%,焦亞硫酸鈉加入量為理論量的1.5倍,攪拌浸出時(shí)間120 min。浸出溫度對(duì)銅、鈷浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
圖6 浸出溫度對(duì)銅、鈷浸出率的影響
溫度會(huì)對(duì)浸出過(guò)程產(chǎn)生多方面影響:浸出溫度升高,固體顆粒中可溶物質(zhì)在溶液中的溶解度增大,從而使浸出速度加快;此外,升高溫度可降低浸出液黏度,有利于物質(zhì)擴(kuò)散,從而可加快浸出速度。由圖6看出,溫度對(duì)鈷浸出率影響較明顯:常溫下,鈷浸出率為87.33%;溫度升至60 ℃時(shí),鈷浸出率達(dá)96.84%;但溫度升高對(duì)銅浸出率影響不大。綜合考慮,確定浸出在常溫(不加熱)下進(jìn)行即可。
根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,確定優(yōu)化試驗(yàn)條件為:礦石粒徑-200目占60%,礦石質(zhì)量200 g,液固體積質(zhì)量比3/1,硫酸加入量為礦石質(zhì)量的10%,焦亞硫酸鈉加入量為理論量的1.5倍,常溫下浸出120 min。在此條件下進(jìn)行綜合試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表2。可以看出,優(yōu)化條件下,銅、鈷浸出率分別為96.16%和87.33%。
表2 優(yōu)化條件下的試驗(yàn)結(jié)果
用焦亞硫酸鈉作還原劑、硫酸作浸出劑,采用直接還原浸出法從剛果(金)某銅鈷氧化礦中浸出銅、鈷是可行的。礦石中的銅及二價(jià)鈷與硫酸反應(yīng)生成可溶性CuSO4與CoSO4;礦石中的三價(jià)鈷在焦亞硫酸鈉作用下先被還原成二價(jià)鈷,之后再與硫酸反應(yīng)生成CoSO4。銅的浸出受還原劑影響不大。適宜條件下,銅、鈷浸出率分別為96.16%和87.33%,浸出效果較好。