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        利用銅片置換法回收含銀廢液中銀的工藝實(shí)踐

        2021-01-05 03:27:04鄭學(xué)軍王涵睿史智鋒孟志軍蔡興順
        中國(guó)材料進(jìn)展 2020年10期
        關(guān)鍵詞:含銀銀粉銅片

        鄭學(xué)軍,王涵睿,史智鋒,董 蔚,孟志軍,賀 慧,蔡興順

        (1. 西部金屬材料股份有限公司,陜西 西安 710201)(2. 西安諾博爾稀貴金屬材料股份有限公司,陜西 西安 710201)

        1 前 言

        貴金屬銀具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及延展性,被廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體、電子、化工等方面,市場(chǎng)需求量大。但是銀在地殼中的含量稀少,直接提取的產(chǎn)量小,無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)需求,因此銀的二次資源回收占有舉足輕重的地位[1]。從各種廢料及陽(yáng)極泥中回收的銀,其純度大部分不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn),需要通過(guò)電解精煉后才能達(dá)到99.95%以上。在電解精煉過(guò)程中,電位比銀負(fù)的鋅、鐵、銅、鎳等賤金屬也會(huì)發(fā)生陽(yáng)極溶解,隨之進(jìn)入電解液中。在含量極微時(shí),對(duì)電解過(guò)程影響不大,但隨著逐漸積累會(huì)使電解液遭受污染,最終影響電解銀粉的純度,因此電解液需要定期更換,隨之會(huì)產(chǎn)生大量的含銀廢液[2]。

        含銀廢液的凈化方法有很多,例如結(jié)晶法、氫氧化鈉沉淀法、熱分解法、銅置換法等[3]。銅置換法是重要的凈化工藝之一,其利用銅和銀標(biāo)準(zhǔn)電極電位的差異(銀比銅的電極電位高),使得銀被置換出來(lái),而Pb2+、Ni2+、Bi3+、Sb3+等雜質(zhì)離子的標(biāo)準(zhǔn)電極電位比銅低,仍留在溶液中,從而使銀和其他雜質(zhì)分離,其優(yōu)點(diǎn)是可以脫除銅、鉛、鉍等多種雜質(zhì),但此法產(chǎn)出的銀粉純度低,銀粉中銅含量高,純度約在80%[3, 4]。本文針對(duì)銅置換法凈化含銀尾液存在的問(wèn)題,提出采用銅片置換法處理含銀尾液,研究了置換溶液pH值、置換時(shí)間、置換溫度對(duì)置換過(guò)程的影響,并分析置換機(jī)理,確定了銅片置換法處理含銀尾液的最優(yōu)工藝條件。

        2 實(shí) 驗(yàn)

        2.1 實(shí)驗(yàn)原料與裝置

        本實(shí)驗(yàn)用水為去離子水,所用銅片尺寸為100 mm×15 mm×2 mm,所采用的含銀廢液為銀電解廢液,其成分如表1所示。

        表1 含銀廢液成分Fig.1 Chemical composition of silver waste liquid

        實(shí)驗(yàn)儀器主要有SPECTRO ARCOS ICP-OES光譜儀、AR224CN型電子天平、恒溫電熱套(溫差±0.5 ℃)、2500 mL三頸燒瓶、冷凝器、pH電位計(jì)。

        2.2 實(shí)驗(yàn)方法

        實(shí)驗(yàn)在室溫下開(kāi)始,每次取1500 mL試液和一定量銅片放入三頸燒瓶中進(jìn)行置換反應(yīng),燒瓶上裝有冷凝器、溫度計(jì)、取樣口,用碳酸鈉和硝酸調(diào)節(jié)溶液pH值。到設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件(pH、時(shí)間、溫度)后取樣,整個(gè)反應(yīng)過(guò)程可以觀察到銀在銅表面的析出、剝落,靜置過(guò)濾后,利用光譜儀分析置換后溶液中Ag,Cu,F(xiàn)e等元素的含量。置換后的銀粉經(jīng)洗滌烘干后,利用光譜儀分析國(guó)標(biāo)中要求各雜質(zhì)元素含量,將結(jié)果與GB/T 4135—2016對(duì)比,得到銀粉純度。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 溶液pH值對(duì)置換率的影響

        在溫度為30 ℃、置換時(shí)間為5 h的條件下,進(jìn)行了pH值對(duì)置換率的影響的實(shí)驗(yàn)研究,其結(jié)果如圖1所示??梢钥吹剑琾H值的持續(xù)增加對(duì)銅置換銀的過(guò)程是不利的,隨著pH值的增加,置換率呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢(shì)。pH值在1.5以下時(shí),置換率隨著pH值的增加而明顯增加,當(dāng)pH值從1.3增至1.5,置換率從87.5%增加至93.1%;當(dāng)pH值從1.5增至2.0,置換率從93.1%降低至86.3%,可見(jiàn)pH值對(duì)銅置換銀的過(guò)程有著顯著影響。隨著pH值的降低,也會(huì)使部分銅片直接溶解,造成置換過(guò)程耗銅量的增加。選擇pH值在1.5~2進(jìn)行置換反應(yīng)較為合適。

        圖1 pH值對(duì)置換率的影響Fig.1 Effect of pH value on replacement rate

        3.2 時(shí)間對(duì)置換率的影響

        在pH值為2、溫度為30 ℃的條件下,進(jìn)行了反應(yīng)時(shí)間對(duì)置換率的影響的實(shí)驗(yàn)研究,其結(jié)果如圖2所示??梢钥吹剑脫Q率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。初始階段的反應(yīng)速度非常迅速,當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行至10 min時(shí),銀的置換率迅速提高到25.8%;在反應(yīng)進(jìn)行60 min后,銀的置換率幾乎接近64%;進(jìn)一步延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,置換率則緩慢增大,溶液中的硝酸銅含量不斷增加,導(dǎo)致反應(yīng)速率變慢。如果出現(xiàn)硝酸銅結(jié)晶,會(huì)包裹在銅片和銀粉上,難以洗滌,導(dǎo)致純度和收率變低。由此可說(shuō)明,銅置換銀的反應(yīng)速率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)初始急劇增加而后平穩(wěn)增加的趨勢(shì),可見(jiàn)本實(shí)驗(yàn)采用5 h能夠滿(mǎn)足反應(yīng)完全的條件。經(jīng)置換后的溶液,銀離子濃度由72降低至0.02 g/L,對(duì)置換得到的銀粉分析可得,純度大于98.5%,收率達(dá)到99.7%。

        圖2 時(shí)間對(duì)置換率的影響Fig.2 Effect of time on replacement rate

        3.3 溫度對(duì)置換速率的影響

        在pH值為2、置換時(shí)間為5 h的條件下,進(jìn)行了反應(yīng)溫度對(duì)置換速率的影響的實(shí)驗(yàn)研究,用log(Co/Ct)對(duì)時(shí)間t作圖,Co為反應(yīng)初始溶液濃度,Ct為反應(yīng)某一時(shí)刻溶液濃度,其結(jié)果如圖3所示。隨著溫度的升高,直線斜率增大,反應(yīng)速度加快,符合置換規(guī)律。這是由于開(kāi)始一段時(shí)間銅的表面沉積物很少,貴金屬銀離子濃度比較大,傳質(zhì)較快;隨著置換沉積物增多,離子擴(kuò)散變?yōu)榉磻?yīng)的限制步驟,速度減慢。在初始階段,40 ℃以上條件的置換速率明顯提高,因此置換溫度選在40 ℃以上。

        圖3 溫度對(duì)置換速率的影響Fig.3 Effect of temperature on reaction rate

        3.4 置換過(guò)程分析

        銅的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為+0.34 V,銀的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為+0.799 V,銅置換銀的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)為0.459 V,因此銅置換銀的反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行。從動(dòng)力學(xué)上,銅置換銀的反應(yīng)首先是由銅與銀離子組成氧化還原體系,銅片上的銅失去電子,被溶解下來(lái),溶液中的銀離子得到電子,不斷在銅片上生長(zhǎng)。隨著置換反應(yīng)的進(jìn)行,銀顆粒逐漸長(zhǎng)大,形成片狀或塊狀從銅片表面脫落至溶液中;貴金屬離子半徑較大,移動(dòng)緩慢,而溶液中的銅離子逐漸增多,貴金屬銀離子逐漸減少,反應(yīng)速率變慢,即銀的電極電位不斷降低,銅的電極電位不斷升高,當(dāng)二者的電動(dòng)勢(shì)為零時(shí),反應(yīng)終止。

        實(shí)際生產(chǎn)中,可添加攪拌裝置,用以加快反應(yīng)速率。置換后尾液可加熱至50~60 ℃,用碳酸鈉進(jìn)行沉銅,生產(chǎn)的堿式碳酸銅可通過(guò)粗銅冶煉回收銅,沉銅尾液送污水系統(tǒng)進(jìn)行處理。

        4 結(jié) 論

        (1)銅片置換法對(duì)銀和其他賤金屬雜質(zhì)有良好的分離效果,經(jīng)置換后,含銀廢液中的銀離子濃度由72降低至0.02 g/L;采用銅片置換銀,可以顯著提高置換后銀粉的純度(純度大于98.5%),收率達(dá)到99.7%。

        (2)隨著pH值的增加,置換率呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢(shì),pH值過(guò)高或者過(guò)低均不利于置換反應(yīng)進(jìn)行;隨著時(shí)間的延長(zhǎng),廢液中的銀可以被置換得很完全;溫度的升高則會(huì)加快置換反應(yīng)速度。

        (3)在銅置換銀的過(guò)程中,易出現(xiàn)硝酸銅結(jié)晶,會(huì)影響銀的純度和收率。

        (4)該工藝流程短,設(shè)備簡(jiǎn)單,適用于含銀廢液的處理,置換后的銀粉可以用于電解母液的制備或者二次電解。

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