木質素磺酸鈉對低品位水鈷礦浸出的影響

彭 燦，文定強

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

隨著全球電動化進程的加速，數碼消費類電子產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，導致對鈷需求的不斷增長[1]。鈷供應量占全球總供應量的65%的剛果(金)卻在不停的變動政策。2018年3月，銅鈷的礦業稅稅率從2%提高至3.5%，而在2018年12月宣布鈷為戰略物資，進一步將鈷的礦業稅稅率從3.5%提高到10%，稅率提升相當于直接增加剛果（金）當地礦業企業生產成本，近年來，國內外鈷礦企業為保障公司原料供應穩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，鈷礦石經浸出-萃取分離銅-化學除雜-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素磺酸鈉來改善浸出效果。通過考察木質素磺酸鈉用量、焦亞硫酸鈉用量、浸出溫度、液固比等參數對鈷、銅浸出率的影響，確立了最優浸出工藝，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 實驗部分

1.1 實驗原料

水鈷礦來源于剛果（金）盧本巴希某礦山，經破碎、細磨、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見表1。實驗過程所用試劑硫酸為化學純、焦亞硫酸鈉和木質素磺酸鈉均為分析純。

表1 氧化鈷礦中主要元素含量/%

1.2 實驗方法

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裝置，按照設定的液固比，加入適量硫酸、純水、分散劑和還原劑，進行攪拌浸出，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 結果與討論

2.1 木質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，反應溫度為25℃，初始硫酸濃度為1.25mol/L，攪拌轉速300r/min，反應時間為6h。木質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素磺酸鈉加入量的增加而提高。浸出過程不加入木質素磺酸鈉時，鈷、銅的浸出率分別為90.01%、91.99%，而當加入1.5g木質素磺酸鈉時，鈷的浸出率提升至98.65%，銅的浸出率也增加到98.23%，這是因為浸出過程水鈷礦表面與水分子的作用形成水化層，給礦石內部鈷、銅的浸出造成了一定阻礙，通過加入木質素磺酸鈉可降低礦物顆粒與水之間的接觸角，增加了分子擴散和對流擴散，使其具有較高表面活性，可以促進浸出液進入礦石內部產生化學反應[4，5]。繼續加大木質素磺酸鈉的用量，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

當木質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出先升高趨勢。當焦亞硫酸鈉的用量超過理論用量的2.5倍時，繼續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，繼續增加焦亞硫酸鈉用量反而會增加生產成本。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，這是因為在液固比較低時，料漿的粘度較大，分散性較差，不利于浸出反應。當液固比提升到6:1mL/g時，鈷銅浸出效果較好，繼續增大液固比對其改善效果不大，考慮到后續鈷液處理成本及其他因素，確定液固比為6mL/g為宜。

2.4 反應時間對浸出過程的影響

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

圖4 反應時間對浸出過程的影響

由圖4可知，反應時間的延長，對鈷和銅的浸出率的影響較為顯著。當反應時間從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%，這是因為反應時間短，反應不完全，礦石中鈷高價態氧化物未得到充分反應，其中的鈷、銅浸出效果被影響。當反應時間超過6h后，鈷、銅浸出率增幅較小，這可能是其他反應條件決定的。故確定反應時間為6h即可。

2.5 優化條件下的放大實驗

綜上所述，從剛果（金）低品位水鈷礦中提取有價金屬的最優工藝條件為：在水鈷礦加入量為1000g時，浸出過程木質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，反應溫度為25℃，初始硫酸濃度為1.25mol/L，攪拌轉速300r/min，反應時間為6h。按照此條件進行的平行實驗結果見表2。

表2 放大平行實驗結果

3 結論

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工藝條件為：在水鈷礦加入量為100g時，浸出過程木質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，反應溫度為25℃，初始硫酸濃度為1.25mol/L，攪拌轉速300r/min，反應時間為6h。在該反應條件下，鈷和銅的浸出率分別可達98.61%、98.27%。該工藝實現了在常溫條件下，水鈷礦的高效浸出，在浸出過程加入木質素磺酸鈉在可明顯改善鈷銅的浸出效果，還可實現即低焦亞硫酸鈉用量的實現高鈷銅浸出率，為實現低成本工業化處理水鈷礦提供了理論實踐基礎。