高堿性脈石低品位混合鎳礦氧壓浸出行為與機制研究

李啟厚，姜 波，劉智勇，王紅軍，劉志宏

（中南大學 冶金科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

隨著鎳礦資源的日趨枯竭，高效開發儲量可觀的低品位鎳礦資源日益受到重視［1］。低品位鎳礦以傳統技術不能經濟處理［2］。一般而言，鎳品位低于0.8%的氧化鎳礦石和低于1.0%的硫化鎳礦石都稱為低品位鎳礦石［3－4］。對于堿性脈石礦物含量較高的低品位礦石，用傳統的火法工藝處理能耗高，成本高。而用常規酸浸工藝又會消耗大量酸，且嚴重環境污染；并且如果礦石硅含量高，則易生成硅酸鹽膠體［5］，造成礦漿液固分離困難。氨浸法［6］除能處理高硅、高堿性脈石礦物的礦石外，還適宜處理含鐵、氟、氯、砷、銻等雜質含量高的礦石，具有溶液易循環利用、鎳回收率高、環境污染小等優點。

Kyung－Ho Park［7］等利用氧壓氨浸法研究了Cu－Ni－Co－Fe硫 化 物 的 共 熔 體 在 （NH4）2SO4／NH3體系中的浸出行為。共熔體中鎳的硫化物主要以Ni9S8和Ni3S2形式存在，最優條件下，鎳浸出 率 達 85.3%。 巨 少 華［8］采 用 氨－氯 化 銨（MACA）體系處理金川含硫化鎳與硅酸鎳的低品位鎳礦石，鎳浸出率為64.10%。本研究以某公司低品位混合鎳礦為研究對象，在氨－硫酸銨－水體系中采用氧壓氨浸法浸出鎳，以期為工業實踐提供參考依據。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗所用礦石為某公司提供的含高堿性脈石礦物的貧鎳礦。主要化學成分及鎳的物相見表1、2。主要試劑為氨水（分析純，湖南株洲石英化玻有限公司），硫酸銨（分析純，上海國藥集團），水為去離子水。

礦石中，硫化鎳占52.38%，氧化鎳和硅酸鎳各占23.81%，礦石屬于混合型鎳礦。

表1 礦石主要化學成分的質量分數 %

表2 礦石中鎳的化學物相

1.2 試驗設備與方法

浸出試驗在WHF－2T型2L高壓釜中進行。浸出劑根據設定的總氨濃度、NH＋4／NH3物質的量比，用（NH4）2SO4、NH3·H2O 和去離子水配制而成，每次配制1L。將100g礦石與1L浸出劑同時加入高壓釜中，在一定溫度與壓力下浸出，浸出結束后，冷卻并進行液固分離，分別取浸出液及浸出渣分析其中鎳的含量，計算鎳浸出率。

1.3 分析與表征

Ni（Ⅱ）質量濃度采用 WFX－100型原子吸收分光光度計測定。礦石的物相組成采用日本理學公司的X射線衍射儀（RIGAKU－TTRⅢ）表征，測試條件為：工作電壓40kV，工作電流250mA，Cu／Kα，掃描速度10°／min，步長0.02。樣品形貌及表面成分用日本JSM－6360LV型掃描電鏡（SEM）及美國EDAX公司的能譜儀（EDS）觀察。

2 試驗結果與討論

2.1 氧壓對鎳浸出率的影響

在總氨濃度9mol／L、浸出溫度150℃、c（NH3）∶c（（NH4）2SO4）＝2.5∶1、液固體積質量比10∶1、攪拌速度200r／min、浸出3h條件下，氧分壓對礦石中鎳浸出率的影響如圖1所示。

圖1 氧壓對鎳浸出率的影響

從圖1可知：鎳浸出率先隨氧分壓增大而顯著增大；當氧分壓增加到1.3MPa后，再提高氧分壓，鎳浸出率變化不大。浸出過程中，溶解的氧分子只有裂解為活性氧原子時才能與硫化物反應，其氧化動力學方程為

反應速率與p（O2）成正比關系［9］，故提高氧分壓，反應速率增大，浸出率增大；但隨著反應的進行，氧的需要量逐漸減少，氧分壓對反應速率的影響也逐漸減弱；當氧分壓達到1.3MPa時，鎳浸出率達到最高值。

對氧分壓為2MPa時的浸出渣（相比原礦，其質量分數僅減少0.8%）進行化學物相分析，結果見表3。可以看出，浸出渣中僅含有微量的硫化鎳和氧化鎳，而硅酸鎳質量分數與原礦中的基本相同，表明硫化鎳和氧化鎳得到浸出，而硅酸鎳在此條件下未被浸出。

表3 氧壓為2MPa條件下浸出渣的物相分析結果

硅酸鎳氨浸反應方程式為：

從可能生成的6種 （n＝1～6）鎳氨絡合物Ni［（NH3）n］2＋中選取3種，根據熱力學數據［10］計算反應式（1）、（2）的吉布斯自由能，得吉布斯自由能隨溫度的變化曲線分別如圖2、3所示。

圖2 反應式（1）的吉布斯自由能隨溫度的變化曲線

圖3 反應式（2）的吉布斯自由能隨溫度的變化曲線

從圖2、3可知：隨溫度升高，反應吉布斯自由能增大；不同產物在不同溫度下的吉布斯自由能均大于0。因此，硅酸鎳與氨水的反應從熱力學上來講是不可能發生的。這從理論上證明了硅酸鎳在試驗體系中不能被浸出，只有硫化鎳和氧化鎳能被浸出。

2.2 總氨濃度對鎳浸出率的影響

在氧分壓1.3MPa、浸出溫度150℃、NH3與（NH4）2SO4的濃度比為2.5∶1、液固體積質量比10∶1、攪拌速度200r／min、浸出時間3h條件下，總銨濃度對鎳浸出率的影響如圖4所示。

圖4 總氨濃度對鎳浸出率的影響

從圖4可知，隨溶液中總氨濃度增大，鎳浸出率增大。在一定范圍內對鎳浸出速度和浸出率有影響的主要是NH3（aq），而且氨水濃度越大，其離解的數量就越少［9］，故當總銨濃度增大時，NH＋4的添加量增大，致使反應

向左移動，溶液中NH3（aq）的含量增多，從而使浸出率提高；但總銨濃度升高到8mol／L時，鎳浸出率提高甚微。考慮到成本和鎳浸出率，確定8 mol／L總氨濃度為最佳條件。

2.3 NH3與（NH4）2SO4濃度比對鎳浸出率的影響

在氧分壓1.3MPa、浸出溫度150℃、總氨濃度8mol／L、液固體積質量比10∶1、攪拌速度200 r／min、浸出時間3h條件下，NH3與（NH4）2SO4的濃度比對鎳浸出率的影響如圖5所示。

圖5 NH3與（NH4）2SO4的濃度比對鎳浸出率的影響

從圖5可知：鎳浸出率與浸出劑的pH都隨NH3與（NH4）2SO4的濃度比增大而顯著增大，最后都趨于穩定。在氧壓氨浸過程中，當溶液pH介于6～8之間時，礦石中的鎳與氧結合生成一種穩定的鎳氧化物，從而導致鎳浸出率較低［9］；但隨著NH3與（NH4）2SO4的濃度比增大，溶液pH升高，當pH大于8時，產生的鎳氧化物迅速溶解并生成穩定的鎳氨絡合物，使鎳浸出率增大。試驗條件下，當 NH3與（NH4）2SO4濃度比為1.5∶1時，鎳浸出率最高，故確定 NH3與（NH4）2SO4適宜的濃度比為1.5∶1。

2.4 浸出溫度對鎳浸出率的影響

在氧分壓1.3MPa、總銨濃度8mol／L、NH3與（NH4）2SO4的濃度比1.5∶1、液固體積質量比10∶1、攪拌速度200r／min、浸出時間3h條件下，溫度對礦石中鎳浸出率的影響如圖6所示。

圖6 溫度對鎳浸出率的影響

從圖6可知，隨溫度升高，鎳浸出率增大。由阿累尼烏斯方程［9］

可知，溫度升高，K增大，鎳浸出率相應提高。在密閉的反應器中，溫度適當提高不受浸出劑沸點和揮發性的控制，使反應得以快速充分進行［10］。當溫度上升到120℃時，鎳浸出率達69.44%，相當于礦石中的氧化鎳與硫化鎳基本浸出完全；溫度繼續升高，鎳浸出率增大不明顯。故確定浸出溫度以120℃為宜。

2.5 浸出時間對鎳浸出率的影響

在氧分壓1.3MPa、浸出溫度120℃、總氨濃度8mol／L、NH3與（NH4）2SO4濃度比為1.5∶1，液固體積質量比10∶1，攪拌速度200r／min條件下，浸出時間對鎳浸出率的影響如圖7所示。

圖7 浸出時間對鎳浸出率的影響

由圖7可知：隨浸出的進行，鎳浸出率不斷升高；浸出前2h之內，反應劇烈，浸出速度快，鎳浸出率達到70%，這時硫化鎳和氧化鎳已基本浸出完全，而硅酸鎳仍保留在渣中。試驗確定最佳浸出時間為2h。

3 結論

某公司的含硫化鎳（0.11%）、氧化鎳（0.05%）和硅酸鎳（0.05%）的高堿性脈石低品位混合鎳礦在NH3／（NH4）2SO4體系中浸出鎳是可行的，最佳反應條件為：氧分壓1.3MPa，溫度120℃，總氨濃度8mol／L，NH3與（NH4）2SO4濃度比1.5∶1，浸出時間2h。最佳條件下，鎳浸出率為70.86%，礦石中以氧化鎳和硫化鎳形式存在的鎳基本浸出完全，而以硅酸鹽類存在的鎳因熱力學原因不能被浸出。氨浸法處理含高堿性脈石礦物的低品位混合鎳礦，鎳回收率高，浸出液易循環利用，對環境污染小，可進一步研究并推廣應用。

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