陳榮升， 諶宏海， 王細(xì)軍， 李亞杰， 廖詩(shī)佳， 李 杰

（湖北大江環(huán)保科技股份有限公司，湖北 黃石435005）

銅是一種玫瑰紅色重金屬，廣泛用于電氣、國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域［1-2］，目前絕大部分金屬銅是通過(guò)火法工藝產(chǎn)出的［3-5］。 火法煉銅底吹爐造锍熔煉是將含銅物料與溶劑一起加入底吹爐內(nèi)，通入富氧空氣使物料在高溫下熔化，發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)后得到冰銅和爐渣［6-8］，銅精礦中伴生的Pb、Zn 等易揮發(fā)組分進(jìn)入煙氣中［9］。 因底吹爐特殊的結(jié)構(gòu)，銅煙灰中元素種類多且含有較多的金屬硫化物，增加了煙灰的處理難度。 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)底吹爐煙灰的研究較少，處理時(shí)存在工藝流程長(zhǎng)、回收率低、有害物質(zhì)難于開(kāi)路等難題［10-12］。 本文針對(duì)底吹爐煉銅煙灰的組成特性，采用加壓浸出法，實(shí)現(xiàn)銅、鋅兩種金屬元素的提取，主要研究了溫度、壓力、始酸濃度、浸出時(shí)間對(duì)銅、鋅浸出效果的影響，為后續(xù)分離提取提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用原料來(lái)自我國(guó)某銅冶煉企業(yè)底吹爐熔煉過(guò)程產(chǎn)生的銅煙灰，樣品經(jīng)干燥、縮分、混勻后取樣，粉磨和篩分處理，保證物料粒度小于0.074 mm。 銅煙灰粒度較細(xì)，在2 ～4 μm、10 ～20 μm 和60 ～70 μm 粒級(jí)呈現(xiàn)相對(duì)部分集中分布，平均粒度為3.86 μm，比表面積為979.3 m2/kg，有利于濕法浸出過(guò)程。

銅煙灰樣品的主要化學(xué)元素組成見(jiàn)表1，其X 射線衍射圖見(jiàn)圖1。

表1 銅煙灰主要化學(xué)元素組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

圖1 銅煙灰XRD 圖譜

為進(jìn)一步查明銅煙灰中銅、鉛、鐵和砷的賦存狀態(tài)，進(jìn)行了物相定量分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 銅煙灰中Pb、Cu、As、Fe 的物相分布

1.2 反應(yīng)原理

根據(jù)銅煙灰中銅、鉛、砷和鐵等金屬的含量及物相分析結(jié)果，擬采用氧壓浸出法將銅、鋅與砷、鐵、鉛分離。 反應(yīng)可分為3 個(gè)階段：第一階段為易溶于酸的氧化鋅、氧化銅、氧化鐵和氧化鉛等物質(zhì)與硫酸反應(yīng)；第二階段為金屬硫化物在有氧條件下溶出，以及低價(jià)態(tài)砷、鐵被氧化為高價(jià)，此時(shí)煙灰中大部分銅、砷、鐵、鋅以可溶性硫酸鹽形式進(jìn)入溶液中；第三階段為溶液中砷、鐵反應(yīng)生成砷酸鐵沉淀，與鋅、銅分離［13］。 由于銅煙灰原料中砷與鐵的比例相當(dāng)，砷與鐵基本沉淀，故本文只討論溫度、壓力、始酸濃度、浸出時(shí)間對(duì)銅、鋅浸出率的影響。

1.3 試驗(yàn)方法

稱取一定量的銅煙灰，按照一定的溫度、壓力、始酸濃度及浸出時(shí)間在反應(yīng)釜（威海宏協(xié)化工機(jī)械有限公司CJK-2L 磁力反應(yīng)釜，內(nèi)襯鋯材）中進(jìn)行反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束后，過(guò)濾、洗滌，濾渣干燥后進(jìn)行化學(xué)分析檢測(cè)，微量元素成分采用ICP-MS （Agilent 7500）檢測(cè)，銅、鋅浸出率根據(jù)渣的成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

采用日本島津公司DIFFRACTO METER-6000 型X 射線衍射儀（XRD）進(jìn)行礦物組成分析；采用百特BT-9300S 型激光粒度儀進(jìn)行粒度分析。

2 結(jié)果與分析討論

2.1 溫度的影響

壓力1.1 MPa、始酸濃度100 g/L、浸出時(shí)間1 h 條件下，不同溫度對(duì)銅、鋅浸出率的影響見(jiàn)圖2。 從圖2可看出，當(dāng)溫度從120 ℃增大到160 ℃時(shí)，銅、鋅浸出率逐步提高。 這是因?yàn)殡S著溫度不斷升高，煙灰中可溶物質(zhì)在溶液中的溶解度增大，從而使浸出速度加快；同時(shí)，升高溫度可以降低浸出液黏度，有利于物質(zhì)擴(kuò)散，從而促進(jìn)浸出反應(yīng)。 但當(dāng)溫度增大到180 ℃時(shí)，銅、鋅浸出率出現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)。 因此選擇溫度為160 ℃。

圖2 溫度對(duì)銅煙灰浸出的影響

2.2 壓力的影響

溫度160 ℃，其他條件不變，不同壓力下銅、鋅浸出率如圖3 所示。 從圖3 可知，壓力從0.8 MPa 提高到1.2 MPa 時(shí)，銅浸出率有了明顯提高，繼續(xù)增大壓力時(shí)，銅浸出率上升緩慢；鋅浸出率變化趨勢(shì)與銅非常類似。 故選取壓力為1.2 MPa。

圖3 壓力對(duì)銅煙灰浸出的影響

2.3 始酸濃度的影響

始酸濃度對(duì)保證生產(chǎn)中的處理能力至關(guān)重要。 壓力1.2 MPa，其他條件不變，不同始酸濃度時(shí)銅、鋅浸出率如圖4 所示。 由圖4 可知，當(dāng)始酸濃度從90 g/L增大到130 g/L 時(shí)，銅、鋅浸出率均明顯提高；進(jìn)一步增大始酸濃度時(shí)，銅、鋅浸出率變化平緩。 這說(shuō)明始酸濃度達(dá)到130 g/L 時(shí)，銅煙灰與酸的接觸反應(yīng)已經(jīng)比較充分。 因此確定始酸濃度為130 g/L。

圖4 始酸濃度對(duì)銅煙灰浸出的影響

2.4 浸出時(shí)間的影響

始酸濃度130 g/L，其他條件不變，浸出時(shí)間對(duì)銅、鋅浸出率的影響如圖5 所示。 從圖5 可看出，當(dāng)浸出時(shí)間從1 h 延長(zhǎng)至3 h 時(shí)，銅、鋅浸出率逐漸上升，繼續(xù)延長(zhǎng)浸出時(shí)間至4 h 時(shí)，銅、鋅浸出率基本保持不變，因此浸出時(shí)間選擇為3 h。

圖5 浸出時(shí)間對(duì)浸出的影響

2.5 綜合試驗(yàn)及浸出渣元素分析

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)，在溫度160 ℃、壓力1.2 MPa、始酸濃度130 g/L、浸出時(shí)間3 h 條件下，進(jìn)行了銅煙灰加壓浸出綜合試驗(yàn)，銅、鋅浸出率分別達(dá)到98.9%和97.8%。

對(duì)浸出渣進(jìn)行了化學(xué)元素分析，結(jié)果如表3 所示。浸出渣中Cu、Zn 含量皆為微量，Pb、Fe、As 含量較高，可以作為鉛火法冶煉原料。

表3 浸出渣主要化學(xué)元素組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

浸出液可通過(guò)除銅-除鐵-除錳-除鎘等凈化工序得到純凈的硫酸鋅溶液，再通過(guò)蒸發(fā)結(jié)晶制成一水硫酸鋅或七水硫酸鋅產(chǎn)品。

3 結(jié) 論

1） 采用氧壓浸出法處理銅冶煉底吹爐造锍熔煉過(guò)程中產(chǎn)生的銅煙灰，可有效浸出銅、鋅，實(shí)現(xiàn)銅煙灰中有價(jià)資源的回收。

2） 加壓浸出的最佳條件為：溫度160 ℃、壓力1.2 MPa、始酸濃度130 g/L、浸出時(shí)間3 h，該條件下銅、鋅浸出率可達(dá)到98.9%和97.8%，浸出效果好。