楊 丹

（江西銅業(yè)股份有限公司，江西 南昌 330013）

1 引言

在銅冶煉過(guò)程中，會(huì)分離出許多其它化學(xué)元素，包括硒、砷、汞和鎘等，其中，金屬鎘是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要原材料，但同時(shí)金屬鎘的不當(dāng)流出也會(huì)對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生巨大的危害，包括對(duì)空氣、土壤、水質(zhì)的影響。因而，了解銅冶煉過(guò)程中金屬鎘的分布狀態(tài)，有助于總結(jié)出金屬鎘在冶煉過(guò)程中提取或者排放的控制工藝，為我國(guó)生產(chǎn)制造企業(yè)的冶煉過(guò)程中進(jìn)行相關(guān)化學(xué)元素的分離、提取和有效控制提供具有實(shí)踐意義的借鑒。

2 銅冶煉的工藝分析

當(dāng)下，銅冶煉主要有兩種方法，分別為火法冶煉和濕法冶煉。前者是通過(guò)冶煉鍋爐加熱的形式進(jìn)行金屬礦物的冶煉，后者則是通過(guò)加入可以同金屬礦物發(fā)生化學(xué)作用的化學(xué)元素來(lái)提取金屬礦物質(zhì)的方式。

2.1 銅火法

火法冶金銅冶煉涉及以黃銅礦為主要原料的焙燒、冶煉、吹煉和精煉等工序［1］。

（1）焙燒。焙燒冶煉過(guò)程又包括了半氧化焙燒過(guò)程和全氧化焙燒過(guò)程。通過(guò)這種焙燒冶煉，可以去除原本精礦中的一些硫化物質(zhì)和其他揮發(fā)性雜質(zhì)，比如砷元素和銻元素。

（2）冶煉。銅火法的冶煉過(guò)程是以冰銅冶煉為主要手段，通過(guò)利用脈石、溶劑等造渣方法，將銅精礦或者焙燒礦中的部分鐵元素進(jìn)行氧化，從而生產(chǎn)出含銅量較高的冰銅。

（3）吹煉。吹煉工藝的主要目的是為了去除冶煉過(guò)程中的煙灰，從而能夠較好地對(duì)冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的硫物質(zhì)進(jìn)行回收。

（4）精煉。精煉過(guò)程主要是為了利用冶煉過(guò)程中的一些雜質(zhì)元素的氧化作用，并且氧化物不溶于銅液的原理，使得冶煉出來(lái)的銅精度更高。當(dāng)前精煉過(guò)程又主要有火法精煉和電解精煉兩種方式。

2.2 銅濕法

銅濕法也是銅冶煉的一種較為常見(jiàn)的方式，通常主要分為兩個(gè)步驟分別進(jìn)行，即浸銅過(guò)程和收集過(guò)程。

（1）浸銅過(guò)程。浸銅過(guò)程是銅濕法的第一個(gè)步驟，是指將含銅的鐵物質(zhì)放在膽礬溶液中，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將鐵物質(zhì)中的銅離子置換出來(lái)經(jīng)過(guò)沉積作用形成單質(zhì)銅。

（2） 收集過(guò)程。收集過(guò)程是銅濕法的第二個(gè)步驟，是指對(duì)前一步驟中沉淀的單質(zhì)銅粉進(jìn)行收集，然后再經(jīng)過(guò)熔煉和鑄造過(guò)程，形成銅礦。

銅濕法的銅粉收集工藝手法在當(dāng)下的煉銅方法中主要有以下三種具體的方法，分別為茅席吸附法、鐵片置換法和煎熬法［2］。

（1）茅席吸附法。是指在浸銅步驟中，在膽水槽底部鋪上一層茅席，將需要進(jìn)行銅提取的鐵片雜碎放入茅席上浸泡，時(shí)間一長(zhǎng)，發(fā)生化學(xué)作用后的單質(zhì)銅粉就會(huì)全部沉積在茅席上，在進(jìn)行完全的浸泡后將茅席取出，可以直接收集上面的銅粉。

（2）鐵片置換法。是指將需要進(jìn)行銅提取的鐵片鍛打成薄片，利用膽水浸泡過(guò)程中增加鐵片化學(xué)反應(yīng)面的原理，使得鐵片上的銅物質(zhì)能和膽水最大面積發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而加速銅粉的沉積過(guò)程。

（3）煎熬法。是指直接以需要進(jìn)行銅提取的鐵作為容器，在鐵容器中加入膽水，通過(guò)鐵和膽水的不斷直接化合反復(fù)作用，一定時(shí)間后就會(huì)直接形成單質(zhì)銅沉積，也就是所謂的銅粉生成了。

3 金屬鎘的來(lái)源及其化合物形態(tài)

3.1 金屬鎘的來(lái)源

金屬鎘是非常稀有的有色金屬礦物元素，是Ni-Cd充電電池的重要原材料之一，同時(shí)也是一種劇毒物質(zhì)，在當(dāng)前我國(guó)的“三廢”排放標(biāo)準(zhǔn)中，金屬鎘的排放位列第一位［3］。并且金屬鎘在經(jīng)過(guò)排放以后，由于其具有較強(qiáng)的蓄積性，因而在排出后如果污染了植物土壤等，會(huì)很難排出，以致引發(fā)慢性中毒。所以了解金屬鎘在銅冶煉過(guò)程中的具體分布狀態(tài)及其產(chǎn)生的化合物形態(tài)，有效回收金屬鎘并控制其排放標(biāo)準(zhǔn)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義，這也是相關(guān)領(lǐng)域?qū)︺~冶煉過(guò)程中金屬鎘的走向進(jìn)行分析的最重要原因。

在銅冶煉過(guò)程中，金屬鎘由于物理燃燒會(huì)產(chǎn)生不同的化合物形態(tài)，主要包括硫鎘礦物，這種化合物在銅、鋅、鉛等礦物的冶煉過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生［4］。金屬鎘在進(jìn)性浮選時(shí)主要進(jìn)入精礦中，而在進(jìn)行焙燒過(guò)程中，則會(huì)廣泛地存在于煙塵或爐渣中。隨著生產(chǎn)制造企業(yè)的不斷發(fā)展，通過(guò)冶煉方式提取各種礦物質(zhì)的需求也日益上漲，這也意味著對(duì)金屬鎘這一類化學(xué)物質(zhì)的排放量也會(huì)大幅提升，使得環(huán)境中的鎘污染程度急速加劇，因而，在科技發(fā)展的同時(shí)，不斷探討對(duì)于這類化學(xué)元素在冶煉或者其他回收提取過(guò)程中的分布走向，從而掌握正確的回收工藝和排放控制工藝是十分重要的。

3.2 銅冶煉中金屬鎘的化合物形態(tài)

在銅冶煉過(guò)程中，常見(jiàn)的金屬鎘這一類有色金屬硫化礦的焙燒煙塵中主要成分分布如表1。濕法煉銅中金屬鎘的化合物形態(tài)見(jiàn)表2。

表1 火法冶煉中各類金屬元素分布 %

表2 濕法冶煉中各類金屬元素分布 %

4 兩種煉銅工藝中金屬鎘的走向分布

在進(jìn)行兩種方式的銅冶煉過(guò)程中，由于所選取的原料銅精礦中都會(huì)存在一定含量的金屬鎘，而在進(jìn)行火法或者濕法煉銅過(guò)程中，都會(huì)導(dǎo)致這一部分的金屬鎘產(chǎn)生揮發(fā)或者脫離原來(lái)的銅精礦料［5］，在進(jìn)行排出時(shí)都可能會(huì)對(duì)空氣或者土壤及水質(zhì)環(huán)境等造成較大的危害，因而需要對(duì)這兩種煉銅方式中脫離出來(lái)的金屬鎘的分布狀態(tài)進(jìn)行深入分析。

4.1 火法煉銅中金屬鎘的走向分布

在利用銅火法對(duì)粗銅礦進(jìn)行精煉期間，產(chǎn)生的金屬鎘元素一部分會(huì)以氣體形式直接排放到空氣中，而另一部分的金屬鎘元素則會(huì)和銅爐中的其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并生成新的化合物質(zhì)，這些化合物又都溶于銅液，因而很難進(jìn)行完全脫除。見(jiàn)表3。

表3 火法冶煉中金屬鎘走向分布

從銅火法的精煉銅表中可以發(fā)現(xiàn)，火法煉銅過(guò)程中，金屬鎘的排出能力較差，同時(shí)還會(huì)使得大量的含金屬鎘有害氣體排放到空氣中，不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成巨大污染，還會(huì)嚴(yán)重影響煉銅的有效性。

4.2 濕法煉銅中金屬鎘的走向分布

在濕法煉銅中，主要通過(guò)將原料銅精礦在可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的液體中進(jìn)行電解。經(jīng)過(guò)電解液電解工序以后，可以使得銅精礦中原有的部分有害金屬元素經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)后生成新的礦物質(zhì)。而經(jīng)過(guò)雜質(zhì)脫離后的銅精礦也生成了新的銅物質(zhì)，如電積銅、黑銅泥、粗制硫酸銅和二次終液，而銅精礦中的金屬鎘等化學(xué)元素也在化學(xué)作用下進(jìn)行了基本脫除。可以說(shuō)，銅精礦經(jīng)過(guò)電解工藝后基本完成了對(duì)礦料中的原有雜質(zhì)的脫除，生成含銅量極高的純陰極銅。銅濕法精煉過(guò)程中金屬鎘元素的走向分布情況可以參見(jiàn)表4。

表4 濕法冶煉中金屬鎘走向分布

從上述濕法煉銅電解工藝中可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)了電解工藝后，銅精礦中的銅礦物質(zhì)占比已經(jīng)非常高了，而金屬鎘元素也幾乎發(fā)生了完全脫離。通過(guò)電解工藝后的金屬鎘也會(huì)發(fā)生較大變化，約70%進(jìn)入黑銅泥，13%進(jìn)入陽(yáng)極泥，12%留在殘極。

5 在銅冶煉過(guò)程中的金屬鎘控制工藝探析

5.1 銅火法冶煉

在銅冶煉過(guò)程中，對(duì)銅精礦中的其它金屬雜質(zhì)進(jìn)行脫離，主要是將冶煉過(guò)程中生成的金屬雜質(zhì)以爐渣沉積或者氧化氣體排放兩種手段進(jìn)行處理，而通過(guò)這兩種除雜手段，會(huì)使得銅精礦經(jīng)過(guò)冶煉后排出大部分的雜質(zhì)金屬，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，也要注意這兩種排放方式會(huì)對(duì)環(huán)境造成的危害［6］。而通過(guò)對(duì)銅冶煉過(guò)程的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行有效分析和控制，則會(huì)大大降低雜質(zhì)產(chǎn)生的數(shù)量，同時(shí)通過(guò)合理有效的集塵方法和排放標(biāo)準(zhǔn)控制，可以有效降低產(chǎn)生的有害金屬物質(zhì)的對(duì)外排出和環(huán)境污染，比如采用集塵、金屬雜質(zhì)的渣濃縮和還原過(guò)程等。在火法銅冶煉過(guò)程中，大部分的金屬鎘元素脫除后可以得到有效的排放控制，而通過(guò)多段陽(yáng)極精煉的工藝處理，也會(huì)使得熔煉過(guò)程中產(chǎn)生的金屬雜質(zhì)微量元素產(chǎn)出率下降。

5.2 銅濕法冶煉

由上述可知，銅濕法冶煉是目前銅冶煉過(guò)程中較為安全高效的銅提取工藝，通過(guò)這種冶煉方式，可以對(duì)冶煉過(guò)程中的煙塵、金屬雜質(zhì)廢渣進(jìn)行有效綜合回收，而電解過(guò)程也會(huì)使得銅精礦中的金屬鎘元素實(shí)現(xiàn)基本脫離，也方便對(duì)脫離后的金屬鎘元素進(jìn)行回收處理［7］。當(dāng)下，利用浸銅法進(jìn)行金屬鎘及其它金屬雜質(zhì)的排出是較為常見(jiàn)的手段，而其中對(duì)于金屬鎘的排出工藝更是對(duì)金屬雜質(zhì)排出控制的重中之重?，F(xiàn)有的銅濕法冶煉過(guò)程中的金屬鎘脫離控制工藝主要是采用石灰中和、硫化物沉浸和鹽鐵沉淀等三種手段，可以起到對(duì)金屬鎘的有效排出和提取控制。在未來(lái)，也需要對(duì)銅提取過(guò)程中的金屬雜質(zhì)排出工藝進(jìn)行不斷改良，以期實(shí)現(xiàn)更有效的金屬雜質(zhì)排放控制。

6 結(jié)論

在銅冶煉過(guò)程中，有色金屬無(wú)論是氣體排出還是液體排出都會(huì)對(duì)環(huán)境造成巨大的污染，而其中金屬鎘就是銅冶煉過(guò)程中會(huì)造成環(huán)境污染的重要化學(xué)元素之一，如果不對(duì)金屬鎘的排出進(jìn)行有效控制和處理，在造成環(huán)境污染的同時(shí)還可能危害到冶煉人員的身體健康，因而需要不斷優(yōu)化銅冶煉過(guò)程中對(duì)于有色金屬的控制排出工藝，實(shí)現(xiàn)銅冶煉的綠色環(huán)保發(fā)展。