氫氧化鈉法分離回收鎳鈷渣中鋅鈷試驗研究

劉鵬飛,湯建偉,王保明,劉 詠,化全縣,張亦飛

(1.鄭州大學 生態與環境學院，河南鄭州 450001； 2.中國科學院 過程工程研究所，北京 100190；3.鄭州大學 化工學院，河南鄭州 450001)

鎳鈷渣是濕法煉鋅過程中銻鹽凈化工序鋅粉置換凈化除鈷產生的凈化渣，主要成分是鋅和鈷的化合物[1]，是鈷的重要來源之一。目前，對鎳鈷渣的處理主要是堆存[2]，使大量鈷資源未得到回收，造成資源浪費。

鈷渣的處理方法主要有選擇性浸出法[3]、氧化沉淀法[4-6]、β-萘酚沉鈷法[7-8]、溶劑萃取法[9-10]和氨-硫酸銨法等[11-13]。氧化沉淀法的鈷富集度較高，但產出的渣比較黏，后續固液分離較困難；β-萘酚法沉淀鈷較為徹底，但工藝流程長，成本高；溶劑萃取法的鈷浸出率可達90%，但成本高。氨-硫酸銨法的鈷浸出率可達97.46%，但后續從溶液中置換鈷時鈷損失量較大。因此，目前還沒有高效的處理方法能夠經濟有效分離處理鎳鈷渣。

鋅、鈷都是兩性金屬，但鋅在高溫氫氧化鈉溶液中以[Zn(OH)4]2-存在，而鈷不能以離子形式存在，因此，研究了以氫氧化鈉為浸出劑，從某鎳鈷渣中浸出并分離鋅和鈷，以期為鎳鈷渣的綜合回收提供新方法。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與裝置

氫氧化鈉，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。去離子水，電導率≤0.06 μS/cm，自制。

鎳鈷渣：取自國內某冶煉廠,為含水塊狀物，黑色，于電熱鼓風干燥箱中烘干，然后用振動磨磨成粉末。物相和組成分析結果見圖1和表1。

圖1 鎳鈷渣的物相分析結果

表1 鎳鈷渣的元素組成 %

鎳鈷渣的物相均為無定型物，表明其中不存在晶體結構的鹽或金屬；主要元素是鋅、鈷和硫，質量分數分別為33.65%、11.14%和7.03%；主要化合物可能是氫氧化鋅、氧化鋅、硫化鋅、氧化亞鈷、氧化鈷或硫化亞鈷等非晶相化合物。

試驗設備：CM-230型純水機，北京嘉德清洋環保科技有限公司；DHG-9075A型電熱鼓風干燥箱，上海一恒儀器有限公司；GCF型不銹鋼襯鎳高壓反應釜，大連自動控制設備廠；X Pert PRO MPD型X射線衍射儀，荷蘭Panalytical公司；ZM 1-2型振動磨，長春科光機電有限公司；SPN501F型電子天平，0.01 g，美國奧豪斯儀器有限公司；AR224CN型電子天平，0.000 1 g，美國奧豪斯儀器有限公司；SHB-Ⅲ型循環水式多用真空泵，鄭州長城科工貿有限公司；SX2-6-3型馬弗爐，天津市中環實驗電爐有限公司；Optima 5300DV型電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP)，Perkin Elmer；電子萬用爐，1 000 W，天津市泰斯特儀器有限公司；ARL Perform X4200型X射線熒光光譜儀(XRF)，美國賽默飛世爾科技公司。

1.2 試驗原理與方法

用氫氧化鈉浸出過程中可能發生的反應如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

浸出試驗在反應釜中進行。反應釜有效容積0.5 L。將不同濃度氫氧化鈉溶液與鎳鈷渣依次加入反應釜中，當溫度達到預設溫度時開始計時。反應結束后，取出溶液并趁熱過濾，濾渣洗滌、烘干并稱重，用ICP法測定濾渣中有價元素質量分數。

金屬元素浸出率計算公式為

(5)

式中：m0—鎳鈷渣質量，g；m1—浸出渣質量，g；w0—鎳鈷渣中金屬元素質量分數，%；w1—浸出渣中金屬元素質量分數，%。

2 試驗結果與討論

2.1 反應時間對鋅、鈷浸出率的影響

溫度70 ℃，氫氧化鈉質量濃度398 g/L，液固質量比10/1，反應時間對鋅、鈷浸出率的影響試驗結果如圖2所示。

圖2 反應時間對鋅、鈷浸出率的影響

由圖2看出：反應前0.5 h內，鋅、鈷浸出率隨反應進行而提高，鋅浸出率變化尤為明顯；浸出0.5 h，鋅、鈷浸出率分別達93.5%和5.11%，并趨于穩定，且鈷與鋅分離效果較好。綜合考慮，確定反應時間以0.5 h為宜。

2.2 溫度對鋅、鈷浸出率的影響

氫氧化鈉質量濃度398 g/L，反應時間0.5 h，液固質量比10/1，溫度對鋅、鈷浸出率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 溫度對鋅、鈷浸出率的影響

由圖3看出：隨溫度升高，鋅、鈷浸出率提高，鋅浸出率變化更顯著；溫度升至70 ℃后，鋅、鈷浸出率均趨于穩定。綜合考慮，確定浸出溫度以70 ℃為宜。

2.3 氫氧化鈉質量濃度對鋅、鈷浸出率的影響

溫度70 ℃，液固質量比10/1、反應時間1.0 h，氫氧化鈉質量濃度對鋅、鈷浸出率的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 氫氧化鈉質量濃度對鋅、鈷浸出率的影響

由圖4看出：氫氧化鈉質量濃度低于398 g/L時，隨氫氧化鈉質量濃度升高，鋅浸出率提高，鈷浸出率降低；氫氧化鈉質量濃度高于398 g/L后，鋅、鈷浸出率均變化不大。綜合考慮，確定氫氧化鈉質量濃度以398 g/L為宜。

2.4 液固質量比對鋅、鈷浸出率的影響

溫度70 ℃，反應時間1.0 h，氫氧化鈉質量濃度398 g/L，液固質量比對鋅、鈷浸出率的影響試驗結果如圖5所示，浸出渣的元素組成見表2。

圖5 液固質量比對鋅、鈷浸出率的影響

由圖5看出：隨液固質量比增大，鋅浸出率提高，鈷浸出率降低；液固質量比增至10/1后，鋅浸出率仍略有升高，而鈷浸出率略有降低。液固質量比越大，對鋅、鈷分離越有利，但后續浸出液的處理會更困難。綜合考慮，確定液固質量比以10/1為宜。

表2 浸出渣的元素組成 %

由表2看出：浸出渣中鈷富集了近3倍，達32.70%，鋅質量分數僅為4.80%，二者實現了有效分離。浸出液主要為鋅酸鈉溶液，可通過水解結晶法回收鋅。

由反應式(1)～(4)可知，含鋅化合物可以與氫氧化鈉反應，使鋅浸出到溶液中；而含鈷化合物即使與氫氧化鈉反應，也會生成氫氧化亞鈷沉淀進入濾渣中，從而使鋅、鈷得到有效分離。

3 結論

用氫氧化鈉溶液從鎳鈷渣中浸出分離鋅、鈷是可行的，適宜條件下，鋅、鈷得到有效分離，浸出渣中鈷富集接近3倍達32.70%，鋅質量分數僅4.80%。