贊比亞某銅鈷礦金屬回收試驗研究

房孟釗，余 珊，李 偉，彭 明，寧 瑞

(1.大冶有色金屬有限責任公司,湖北 黃石435002;2.有色金屬冶金與循環利用湖北省重點實驗室,湖北 黃石435002)

0 引言

銅鈷礦資源主要集中于贊比亞地區,冶煉條件與設備等較落后,許多國內采用的鈷提取工藝無法進行應用[1-5]。目前該地區真正做到銅鈷礦鈷資源回收與利用生產的企業很少,大部分企業還處于在建或是前期試驗階段[6-9]。由于銅鈷礦中鈷的含量大部分在0.01%～0.8% 之間,品位較低,且銅鈷賦存狀態復雜,浸出和回收技術不成熟,因此許多銅鈷礦開發利用效率不高。

前期調查顯示,大部分已開發的銅鈷礦在鈷浸出工序,鈷的浸出率低于60%,經銅鈷分離后的鈷精礦中,銅含量為3.5%～5.5%,鈷含量為1.1%～1.5%;通過轉爐渣還原電爐生產的鈷銅锍,鈷含量為2.5%～6.8%,通過繼續加工生產的鈷合金鈷含量為7.9%～18.6%[10-14]。某冶煉廠對銅鈷礦采用“浸出-萃取-凈化-沉鈷”濕法工藝生產粗制氫氧化鈷,其中浸出工段在生產過程中水量過剩,而在凈化工段前,萃余液中鈷難以富集,造成資源浪費、成本加大,同時也大幅度增加了后續溶液處理系統的固定資產投資。另外,由于礦石中含有大量的銅、鐵、錳、鎳等雜質,粗制鈷產品精制工藝不完善,導致后期鈷產品雜質元素較多,品位較低,難以實現鈷經濟價值增收。

因此,在保證鈷浸出率的基礎上,探索一項化學試劑來源充足、容易獲取、成本較低、工序簡單,可從低濃度的含鈷浸出液中有效富集鈷且雜質含量少,能為后續鈷產品精制工藝提供較好的鈷原料的技術,十分重要。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗原料來自贊比亞某礦區的氧化銅鈷礦,其成分見表1。

表1 贊比亞某氧化銅鈷礦成分 %

試驗試劑主要為分析純濃硫酸、分析純雙氧水、工業級亞硫酸鈉、萃取劑Lix984、復合型萃取劑HBL110(由磺酸類有機物A 與脂類有機物B 組成即nA∶nB=1∶5)、純水等,萃取劑和復合型萃取劑均采用磺化煤油為稀釋劑。

試驗儀器主要為恒溫磁力攪拌器、循環水真空泵、臺式鼓風干燥箱、高能行星式球磨儀、梨形分液漏斗、水浴恒溫振蕩器、PHS-3C 型酸度計等。

1.2 試驗方法

取一定量的氧化銅鈷礦,干燥后放置球磨機內磨30 s 備用。

1)酸浸還原浸出。按照前期針對銅鈷礦浸出試驗的優化研究,選取最優的試驗條件:取備用的球磨礦樣400 g,液固比5∶1,加入濃硫酸總量理論量的1.5 倍,還原劑先添加礦樣質量55.5%的雙氧水,再添加礦樣質量20% 的亞硫酸鈉,浸出過程恒溫70 ℃,反應時間0.5 h。將反應液過濾后,分析浸出液與浸出渣中Cu、Co、Ni、Fe、Mn 等元素含量。

2)采用萃取劑Lix984 萃取銅。利用萃取劑Lix984 針對浸出液萃取銅,探索單級萃取與多級萃取試驗,除去浸出液中大部分的銅,以保證后續工藝對銅的回收。反萃劑采用硫酸,洗滌采用純水。

3)采用萃取劑HBL110 萃取鈷。利用萃取劑HBL110 針對萃余液中的鈷進行萃取,通過加不加H2O2預處理萃余液的試驗,探索直接萃取與間接萃取對有效富集鈷、分離雜質的影響。反萃劑采用硫酸,洗滌采用純水。

1.3 試驗原理

試驗原料銅鈷礦中鈷的品位較低,且正三價的鈷為主要組成部分,因此通過前期試驗論證,在鈷的浸出試驗中,除了需要加入一定量的亞硫酸鈉外,又加入了雙氧水,使得鈷的浸出率大幅度提高。其中(亞硫酸鈉)二氧化硫為還原劑的主要化學反應見式(1)～(2)。

1.4 浸出試驗裝置

酸浸還原浸出試驗在圖1所示的裝置中完成。

圖1 浸出試驗裝置

1.5 萃取試驗流程

萃取試驗采用多級萃取的方法,流程見圖2。

圖2 萃取流程圖

2 試驗結果與討論

2.1 酸浸還原浸出

按照酸浸還原浸出試驗方法進行試驗,將得到的反應液過濾,得到浸出液2 L,浸出渣122.58 g,金屬元素成分分析見表2。從表2可以看出,鈷與銅的浸出率均達到98%以上,渣中含鈷在0.04%以下,銅在0.5%以下,可視為鈷、銅基本完全浸出。

表2 銅鈷礦浸出液中金屬含量

2.2 萃取劑Lix984 對銅的單級萃取

銅萃取劑Lix984 是酮肟-醛肟混合類萃取劑,由Lix860N(5-壬基水楊醛肟)與Lix84(2-羥基5-壬基乙酰苯酮肟)按1∶1 (體積比)組成的混合物,外觀為琥珀色液體,密度為0.95～0.97 g/cm3,閃點＞71 ℃。在相比1∶1、平衡pH 值為1.83 的條件下,萃取時間4 min,萃取結果見表3。

由表2可知,銅鈷礦浸出液中銅含量為26.92 g/L,含量較高,采用單級萃取銅,反萃液中含銅12.98 g/L,萃余液中含銅3.83 g/L(表3),萃取率為72.8%,無法完全回收銅,Ni、Mn、Ca、Mg 含量在萃取前后基本沒有變化,因為Ni、Mn 相比于Cu、Co 在原液中含量非常低,萃取劑Lix984 對其萃取的影響很小,而Ca、Mg 幾乎不共萃,因此只考察主要影響元素Cu、Co、Fe,其中Fe 為萃取體系中首當其沖的有害雜質元素。

表3 銅鈷礦浸出液單級萃取銅試驗結果

2.3 萃取劑Lix984 對銅的多級萃取

對銅鈷礦浸出液進行3 級逆流萃取,相比為1∶1,反應時間為5 min,萃取試驗結果見表4。Cu 在萃余液中含量僅為0.009 g/L,萃取率為99.13%,說明萃取完全;Co 在反萃液中含量有0.07 g/L,雖然Co 有少量的萃取損失,萃取率為7.12%,但也說明了銅與鈷的分離可以實現。

表4 銅鈷礦浸出液3 級萃取銅試驗結果

2.4 萃取劑HBL110 對鈷的直接萃取

由于銅鈷礦浸出液3 級萃銅后的萃余液主要含Co 和Fe,因此,該試驗旨在考察四級逆流萃取對鈷、鐵的分離效果。

使用萃取劑HBL110 萃鈷前,調節pH 值為2.6,過濾后待用。萃取試驗條件為萃取相比O/A=1∶1.4(V/V=50 mL/70 mL)、萃取時間5 min、萃取溫度25℃、料液pH 值為2.6。

試驗過程中,控制萃取一級pH 值為2.5,萃取六級平衡pH 值為2.8,未有三相或沉淀產生,取萃取平衡后水相綜合樣檢測鈷與鐵的含量;對萃取平衡條件下得到的負載有機相進行反萃試驗,反萃相比為1∶1,反萃時間10 min,取反萃液化驗Co 和Fe的含量。

試驗結果如表5所示,可以看出,鈷的萃取率達到要求,但除鐵率偏低,還需進行下一步試驗,在保證鈷的萃取率達標的同時除鐵率也達標。

表5 鈷萃取試驗結果

2.5 萃取劑HBL110 對鈷的間接萃取

萃取試驗前先采用雙氧水對萃銅后的萃余液進行處理,在萃銅后的萃余液中加入萃余液體積25%的雙氧水,反應溫度25 ℃,反應時間0.5 h,過濾,得到一次過濾后液;取一次過濾后液,調節pH 值為2.6,再過濾,得到二次過濾后液;采用萃取劑HBL110 萃取二次過濾后液,萃取試驗條件為萃取相比O/A=1∶1.4(V/V =50 mL/70 mL)、萃取時間5 min、萃取溫度25 ℃、料液pH 值2.6。

試驗過程中,控制萃取一級pH 值在2.5,萃取六級平衡pH 值在2.8,取萃取平衡后水相綜合樣檢測鈷與鐵的含量;對萃取平衡條件下得到的負載有機相進行反萃試驗,反萃相比為1∶1,反萃時間10 min,取反萃液化驗Co 與Fe 的含量。

萃取試驗結果如表6所示,可以看出,在試驗條件相同的基礎上,雙氧水處理過的料液鈷的萃取率達到99.7%,除鐵率雖有較大幅度提高但還仍未能達到要求,還需后續探索除鐵試驗。

表6 鈷萃取試驗結果

3 結論

1)采用還原劑雙氧水與亞硫酸鈉聯合法進行銅鈷礦的酸浸還原,鈷、銅浸出率分別為98.27%、98.59%;浸出渣含鈷、銅分別為0.035%、0.47%,可視為鈷、銅基本完全浸出。

2)采用Lix984 萃取回收Cu,相比于單級萃取,三級逆流萃取使Cu 萃取率從72.8% 提高到99.13%,Cu 完全浸出,Co 萃取率為7.12%,有少量的萃取損失,基本實現了銅和鈷的分離。

3)在萃銅后的萃余液中,主要含Co 和Fe,采用雙氧水對萃余液進行預處理后,萃取劑HBL110 不僅可以保證鈷的萃取率達到99%以上,而且除鐵率從64.37%提升至86.15%。