彭 燦，文定強(qiáng)

（1.廣東佳納能源科技有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 513056；2.長沙佳納鋰業(yè)科技有限公司，湖南 長沙 410600）

隨著全球電動化進(jìn)程的加速，數(shù)碼消費(fèi)類電子產(chǎn)品普及和新能源汽車的大力推廣，鋰離子電池市場也隨之快速發(fā)展，鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰等由于能量密度和安全性等綜合性能優(yōu)異成為鋰離子電池中使用量最大的正極材料，而鋰電池的需求量大幅增加，導(dǎo)致對鈷需求的不斷增長[1]。鈷供應(yīng)量占全球總供應(yīng)量的65%的剛果(金)卻在不停的變動政策。2018年3月，銅鈷的礦業(yè)稅稅率從2%提高至3.5%，而在2018年12月宣布鈷為戰(zhàn)略物資，進(jìn)一步將鈷的礦業(yè)稅稅率從3.5%提高到10%，稅率提升相當(dāng)于直接增加剛果（金）當(dāng)?shù)氐V業(yè)企業(yè)生產(chǎn)成本，近年來，國內(nèi)外鈷礦企業(yè)為保障公司原料供應(yīng)穩(wěn)定和降低成本提供保障，熱衷于在剛果（金）建立工廠制備粗制鈷鹽以降低生產(chǎn)成本。

目前，剛果（金）水鈷礦中鈷多以氧化鈷形式存在，還原酸浸法[2，3]為鈷濕法冶煉廠的主流工藝，鈷礦石經(jīng)浸出-萃取分離銅-化學(xué)除雜-沉鈷工藝即可以得到粗制鈷鹽。本研究以非洲剛果(金)某水鈷礦為研究對象，采用焦亞硫酸鈉為還原劑，在浸出過程通過添加木質(zhì)素磺酸鈉來改善浸出效果。通過考察木質(zhì)素磺酸鈉用量、焦亞硫酸鈉用量、浸出溫度、液固比等參數(shù)對鈷、銅浸出率的影響，確立了最優(yōu)浸出工藝，為從水鈷礦中提取有價金屬銅鈷提供了一種低成本、高效的工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

水鈷礦來源于剛果（金）盧本巴希某礦山，經(jīng)破碎、細(xì)磨、篩分后，分別得到-100目礦樣作為研究對象。水鈷礦的多元素化學(xué)見表1。實(shí)驗(yàn)過程所用試劑硫酸為化學(xué)純、焦亞硫酸鈉和木質(zhì)素磺酸鈉均為分析純。

表1 氧化鈷礦中主要元素含量/%

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱量一定量已球磨、粒徑為-100目（＜0.15mm）的低品位水鈷礦，采用DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器為反應(yīng)裝置，按照設(shè)定的液固比，加入適量硫酸、純水、分散劑和還原劑，進(jìn)行攪拌浸出，一段時間以后，過濾，收集濾液，濾渣置于烘干。濾液和烘干后濾渣中鈷、銅的含量均采用WFX-120B原子吸收分光光度計測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 木質(zhì)素磺酸鈉用量對浸出過程的影響

固定水鈷礦加入量為100g，焦亞硫酸鈉的加入量為理論單耗的2.5倍，浸出過程液固比L/S=6mL/g，反應(yīng)溫度為25℃，初始硫酸濃度為1.25mol/L，攪拌轉(zhuǎn)速300r/min，反應(yīng)時間為6h。木質(zhì)素磺酸鈉對水鈷礦中銅鈷浸出效果的影響見圖1。

圖1 木質(zhì)素磺酸鈉的加入量對浸出過程的影響

從圖1可知，水鈷礦中鈷、銅的浸出率都隨木質(zhì)素磺酸鈉加入量的增加而提高。浸出過程不加入木質(zhì)素磺酸鈉時，鈷、銅的浸出率分別為90.01%、91.99%，而當(dāng)加入1.5g木質(zhì)素磺酸鈉時，鈷的浸出率提升至98.65%，銅的浸出率也增加到98.23%，這是因?yàn)榻鲞^程水鈷礦表面與水分子的作用形成水化層，給礦石內(nèi)部鈷、銅的浸出造成了一定阻礙，通過加入木質(zhì)素磺酸鈉可降低礦物顆粒與水之間的接觸角，增加了分子擴(kuò)散和對流擴(kuò)散，使其具有較高表面活性，可以促進(jìn)浸出液進(jìn)入礦石內(nèi)部產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)[4，5]。繼續(xù)加大木質(zhì)素磺酸鈉的用量，對水鈷礦中鈷、銅的浸出效果改善較小。綜合考慮，選擇木質(zhì)素磺酸鈉的加入量為1.5g為宜。

2.2 焦亞硫酸鈉用量對浸出過程的影響

當(dāng)木質(zhì)素磺酸鈉的加入量為1.5g，其他條件不變的情況下，焦亞硫酸鈉的用量對鈷、銅浸出率的影響如圖2所示。

圖2 氧化鈷礦的加入量對浸出過程的影響

由圖2可知，隨著焦亞硫酸鈉加入量的增加，鈷和銅的浸出率都呈現(xiàn)出先升高趨勢。當(dāng)焦亞硫酸鈉的用量超過理論用量的2.5倍時，繼續(xù)增加其用量對鈷浸出率提升不太明顯，表面該物料體系的還原劑已足量，繼續(xù)增加焦亞硫酸鈉用量反而會增加生產(chǎn)成本。因此，選擇焦亞硫酸鈉的用量為理論用量的2.5倍即可。

2.3 液固比對浸出過程的影響

當(dāng)焦亞硫酸鈉的用量為理論用量的2.5倍，其他條件不變的情況下，浸出過程液固比對鈷、銅浸出率的影響如圖3所示。

圖3 液固比對浸出過程的影響

由圖3可知，浸出過程隨著液固比的增加，水鈷礦中鈷、銅的浸出率也隨之增加，這是因?yàn)樵谝汗瘫容^低時，料漿的粘度較大，分散性較差，不利于浸出反應(yīng)。當(dāng)液固比提升到6:1mL/g時，鈷銅浸出效果較好，繼續(xù)增大液固比對其改善效果不大，考慮到后續(xù)鈷液處理成本及其他因素，確定液固比為6mL/g為宜。

2.4 反應(yīng)時間對浸出過程的影響

當(dāng)液固比為6mL/g，其他條件不變的情況下，浸出過程反應(yīng)時間對鈷、銅浸出率的影響，如圖4所示。

圖4 反應(yīng)時間對浸出過程的影響

由圖4可知，反應(yīng)時間的延長，對鈷和銅的浸出率的影響較為顯著。當(dāng)反應(yīng)時間從2h增加到6h后，水鈷礦中鈷的浸出率從76.91%提升至98.65%，銅的浸出率從76.02%增加到98.23%，這是因?yàn)榉磻?yīng)時間短，反應(yīng)不完全，礦石中鈷高價態(tài)氧化物未得到充分反應(yīng)，其中的鈷、銅浸出效果被影響。當(dāng)反應(yīng)時間超過6h后，鈷、銅浸出率增幅較小，這可能是其他反應(yīng)條件決定的。故確定反應(yīng)時間為6h即可。

2.5 優(yōu)化條件下的放大實(shí)驗(yàn)

綜上所述，從剛果（金）低品位水鈷礦中提取有價金屬的最優(yōu)工藝條件為：在水鈷礦加入量為1000g時，浸出過程木質(zhì)素磺酸鈉的加入量為15g，焦亞硫酸鈉的加入量為理論單耗的2.5倍，液固比L/S=6mL/g，反應(yīng)溫度為25℃，初始硫酸濃度為1.25mol/L，攪拌轉(zhuǎn)速300r/min，反應(yīng)時間為6h。按照此條件進(jìn)行的平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 放大平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

采用還原酸浸法處理剛果（金）低品位水鈷礦中提取有價金屬的最優(yōu)工藝條件為：在水鈷礦加入量為100g時，浸出過程木質(zhì)素磺酸鈉的加入量為1.5g，焦亞硫酸鈉的加入量為理論單耗的2.5倍，液固比L/S=6mL/g，反應(yīng)溫度為25℃，初始硫酸濃度為1.25mol/L，攪拌轉(zhuǎn)速300r/min，反應(yīng)時間為6h。在該反應(yīng)條件下，鈷和銅的浸出率分別可達(dá)98.61%、98.27%。該工藝實(shí)現(xiàn)了在常溫條件下，水鈷礦的高效浸出，在浸出過程加入木質(zhì)素磺酸鈉在可明顯改善鈷銅的浸出效果，還可實(shí)現(xiàn)即低焦亞硫酸鈉用量的實(shí)現(xiàn)高鈷銅浸出率，為實(shí)現(xiàn)低成本工業(yè)化處理水鈷礦提供了理論實(shí)踐基礎(chǔ)。