粗制鈷鹽常壓氨浸工藝研究

肖彩霞， 薛廉吉

(浙江華友鈷業股份有限公司， 浙江 桐鄉 314500)

我國鈷資源貧乏，國內鈷冶煉企業的原料大部分依靠進口[1-2]。伴隨著電池、硬質合金、工業催化[3-5]等行業的發展，我國鈷消耗量逐年增加。所以一般將國外低品位的鈷礦富集成品位較高的粗制鈷鹽中間品，再運回國內處理。若采用傳統酸法浸出粗制鈷鹽，則堿性脈石鈣、鎂、錳等大量雜質進入浸出液，使得后續凈化除雜過程復雜、工藝流程長，除雜劑、酸堿消耗量大。在氨體系中，浸出具有選擇性，可選擇性的將銅、鈷、鎳有價金屬浸出至溶液，有效減少鈣、鎂、鐵等離子進入浸出液，凈化及分離過程簡單[6-8]。氨浸液經萃取提銅、鎳后，再蒸氨可得到純度較高的鈷化合物，蒸氨過程得到的氨和銨鹽可返回浸出使用，與傳統酸法處理鈷鹽過程相比，后續凈化工序明顯簡單。

目前，國內外對于氨浸出粗制鈷鹽的研究較少，但是采用氨浸法處理銅鈷氧化礦、鈷渣、大洋多金屬結核的報道較多。王瑞祥等[9-10]利用質量平衡和電荷平衡的雙平衡法對氨體系中Ni、Mg、Zn、Cd的配合平衡進行了研究；劉建華等[11]利用氨法加壓處理銅鈷氧化礦可使銅、鈷浸出率大于95%；煙偉[12]采用常壓氨浸與高壓氨浸對混合銅礦的浸出進行研究，詳細考察了氨水濃度、銨鹽用量、氧化劑用量等對浸出過程的影響，結果表明，在常壓、有氧化劑存在條件下，銅的浸出率僅為72.56%，而在高氧壓條件下，銅的浸出率可達98%；王開毅等[13]描述了金川鈷渣的氨浸工藝；蔣開喜等[14]研究了大洋多金屬結核還原氨浸工藝，Co、Cu、Ni浸出效果較好；朱磊等[15]采用碳銨浸取——置換沉積法回收廢雜銅，取得良好經濟效益和環保效益。本文以粗制鈷鹽為原料，采用常壓氨法浸出其中的Cu、Co、Ni，分析各因素對金屬浸出率的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗用的原料為剛果(金)粗制鈷鹽，它是經過氧化鎂或者氧化鈣沉鈷得到的鈷中間品，粒度小于等于0.15 mm的占95%以上，其化學成分如表1所示。

表1 粗制鈷鹽成分一覽表(干基/%)

實驗用的輔料為氨水和銨鹽，純度均為分析純。

1.2 實驗方法

氨浸反應在2 L的燒杯內進行，先稱取一定質量的粗制鈷鹽、銨鹽，然后加入一定體積的氨水和水，攪拌、加熱反應體系，升溫到預定溫度(常溫反應則不需要加熱)，然后繼續攪拌一段時間，浸出過程完成。過濾采用真空抽濾，浸出液取樣分析金屬離子濃度，浸出渣洗滌后烘干稱重，送樣檢測金屬含量，計算Co、Cu、Ni浸出率。

1.3 實驗原理

原料氨浸時利用Co、Cu、Ni會和氨發生絡合反應，形成絡離子進入溶液，而雜質金屬Ca、Fe、Mg等不與氨反應留在渣中，從而達到有價金屬與雜質分離的目的。主要反應為：

鈷、銅、鎳的氨絡離子配合物穩定常數[16]分別見表2、3、4，由表可知，不同NH3濃度下生成鈷、銅、鎳氨絡離子的穩定性不同，實驗控制最優NH3濃度，將有利于鈷、銅、鎳浸出率的提高。

表2 鈷氨配合物穩定常數(T=298 K)

表3 銅氨配合物穩定常數(T=298 K)

表4 鎳氨配合物穩定常數(T=298 K)

從表2～表4對比來看，相同溫度壓強下，鈷、銅、鎳的同級配氨離子穩定性，鈷(Ш)>銅>鎳>鈷(Ⅱ)，即三價鈷氨絡合物比銅、鎳更穩定，三價鈷與氨發生絡合反應比銅、鎳更容易。

2 實驗結果與討論

2.1 總氨濃度對金屬浸出率的影響

圖1 總氨濃度對金屬浸出率的影響

從圖1可以看出：當總氨濃度為4 mol/L時金屬浸出率隨著溶液中總氨濃度增加迅速提高，因為CNH3/CMe2+(濃度比)隨著總氨濃度的增加而增大，有利于金屬和氨形成更穩定的絡離子。當總氨濃度增加至7 mol/L時，Co、Cu、Ni金屬浸出率分別為97.21%、99.32%、98.36%，繼續加大總氨濃度金屬浸出率變化不大，考慮輔料消耗以及氨的易揮發性，選取總氨濃度為7 mol/L較適宜。

2.2 氨銨摩爾比對金屬浸出率的影響

在總氨濃度為7 mol/L、液固比為7∶1、反應時間為1 h、反應溫度為常溫的條件下氨銨摩爾比對金屬浸出率的影響如圖2所示。

圖2 氨銨摩爾比對金屬浸出率的影響

從圖2可知，金屬浸出率隨著氨銨摩爾比增加先是增大而后減小，因為總氨濃度一定時，提高氨銨摩爾比相當于增加了溶液中游離氨濃度，在金屬離子不變的情況下，增大了CNH3/CMe2+(濃度比)，有利于金屬和氨形成更穩定的絡離子；當氨銨摩爾比為1∶1，繼續增大氨銨摩爾比，Co、Cu、Ni金屬浸出率下降。這是因為氨銨摩爾比增大使得溶液中的pH值增加至12以上，Co、Cu、Ni由絡離子穩定區轉移至氫氧化物穩定區，浸出率下降。所以氨銨摩爾比選擇1∶1較合適，此時Co、Cu、Ni金屬浸出率分別為97.34%、99.29%、98.44%。

2.3 液固比對金屬浸出率的影響

在總氨濃度為7 mol/L、氨銨摩爾比為1∶1、反應時間為1 h、反應溫度為常溫的條件下液固比對金屬浸出率的影響如圖3所示。

圖3 液固體積比對金屬浸出率的影響

從圖3可知，當液固體積比小于7∶1時，加大反應液固體積比，金屬浸出率增加，因為增大液固體積比溶液粘度變小，減少了擴散阻力，有利于反應進行；繼續增大液固體積比，金屬浸出率變化不大，且液固體積比過大會造成浸出液金屬濃度低、后續處理量大，因此選取液固體積比為7∶1。

2.4 反應時間對金屬浸出率的影響

在總氨濃度為7 mol/L、氨銨摩爾比為1∶1、液固體積比為7∶1、反應溫度為常溫的條件下反應時間對金屬浸出率的影響如圖4所示。

圖4 反應時間對金屬浸出率的影響

從圖4可以看出，金屬浸出率先是隨著反應時間延長而提高，繼續延長反應時間，金屬浸出效果變化不大。因為反應時間過短，金屬與氨的絡合反應不完全，導致浸出率低。反應1 h后金屬與氨的絡合反應基本完成，浸出率增長緩慢，考慮到反應時間過長不利于生產產能的提高，降低設備使用率，所以選取反應時間為1 h。

圖5 反應溫度對金屬浸出效果的影響

2.5 反應溫度對金屬浸出率的影響

在總氨濃度為7 mol/L、氨銨摩爾比為1∶1、液固體積比為7∶1、反應時間為1 h的條件下反應溫度對金屬浸出率的影響如圖5所示。

從圖5可以看出：金屬浸出率隨著反應溫度的升高而降低，尤其是Co浸出率降低的非常明顯。因為和其它化學反應平衡常數一樣，隨著溫度的變化，配離子的穩定常數也會發生變化。吸熱反應過程中，配離子的穩定常數隨溫度升高而增大；放熱反應過程中，配離子穩定常數隨溫度升高而降低。鈷、銅、鎳與氨的絡合反應為放熱反應，所以反應溫度升高，金屬配離子穩定性降低，導致金屬浸出率下降。因此礦料氨浸時不需加熱，常溫下反應即可。

2.6 驗證實驗

分別稱取礦料若干做驗證實驗，實驗條件為：總氨濃度為7 mol/L、氨銨摩爾比為1∶1、液固體積比為7∶1、反應時間為1 h，反應溫度為常溫。實驗結果如表2、表3所示。

表2 (驗證實驗)氨浸液成分表 g/L

表3 (驗證實驗)氨浸渣成分及以渣計金屬浸出率表 %

從上表實驗結果可知：實驗重現性較好，Co、Cu、Ni浸出率分別為97.26%、99.44%、98.72%。

3 結論

(1)粗制鈷鹽常壓氨浸最佳條件：總氨濃度為7 mol/L、氨銨摩爾比為1∶1、液固體積比為7∶1、反應時間為1 h，反應溫度為常溫；

(2)最佳浸出條件下，Co、Cu、Ni浸出率分別為97.26%、99.44%、98.72%，且實驗穩定性較好；

(3)浸出液中Ca、Mg、Fe含量較低，使后續凈化工序簡單。