铜镍硫化矿浸出技术研究进展.pdf
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1、随着高品位硫化镍精矿资源的枯竭和镍需求的快速增长,从低品位硫化镍矿中高效、清洁地提取镍资源具有重要的意义。湿法冶金工艺在处理低品位、复杂难选铜镍硫化矿资源方面具有一定优势,其中,铜浸出技术已成为重要工艺。综述了加压氨浸、常压浸出、加压酸浸及微生物浸出技术的研究进展及优缺点,展望了未来湿法处理铜镍硫化矿的研究方向。关键词:铜镍硫化矿;加压氨浸;加压酸浸;常压浸出;微生物浸出;进展中图分类号:T F 8 0 3.2 1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 6 1 7(2 0 2 3)0 4-0 3 2 3-0 7 D O I:1 0.1 3 3 5 5/j.c n k i.s f y j
2、.2 0 2 3.0 4.0 0 1收稿日期:2 0 2 2-1 2-2 8第一作者简介:牛泽锟(1 9 9 6),男,硕士,主要研究方向为加压湿法冶金技术。通信作者简介:刘燕(1 9 7 0),女,博士,教授,主要研究方向为反应器的物理数值模拟、冶金反应工程和化学工程与技术。E-m a i l:l i u y a n s mm.n e u.e d u.c n。引用格式:牛泽锟,田磊,刘燕.铜镍硫化矿浸出技术研究进展J.湿法冶金,2 0 2 3,4 2(4):3 2 3-3 2 9.镍因具有良好的延展性、耐腐蚀性、耐高温性和高强度等优异性能而逐渐受到关注,是制造高温高强合金、耐热材料、不锈钢的
3、必备基础材料,在冶金、机械制造、交通、国防、航天等诸多领域应用越来越广泛1-3。含镍三元负极材料因具有高容量密度,在动力电池这一新兴产业中,逐步取代磷酸铁锂成为主要的负极材料之一。此外,随着球光伏、风能等新能源及对微电网大规模储能的需求不断增加4-6,镍作为这些领域不可或缺的关键材料,其需求量预计将快速增长,因此,镍行业的未来发展前景广阔。近年来,浸出法因具有反应时间短,目标金属回收率高,工艺绿色环保等优点,已成为镍硫化物提取金属的重要工艺。本文综述了铜镍硫化矿浸出技术的发展现状,系统介绍了加压氨浸、常压浸出、加压酸浸和生物浸出技术的研究进展7-8。1 铜镍硫化矿的形态及分布从铜镍硫化矿和氧化
4、镍矿中可提取镍等有价金属,其中镍占比分别为6 0%和4 0%。随着氧化镍矿资源的过度消耗,以及从铜镍硫化矿提取金属的技术越来越成熟,铜镍硫化矿日渐成为生产镍产品的主要来源,约占镍产量的7 0%9。铜镍硫化矿是由岩浆中镍、铜、钴和铁等金属结晶沉淀为铜镍硫化物而形成的1 0-1 2。铜镍硫化矿中含镍矿物的主要形态及分布见表1。表1 铜镍硫化矿中含镍矿物的主要形态及分布情况矿物名称化学式分布镍品位/%六方硫镍矿N i3S2美国、澳大利亚7 3针镍矿N i S澳大利亚、加拿大、美国6 5辉铁镍矿N i3S4德国5 8砷镍矿N i1 1A s8德国5 2红砷镍矿N i A s瑞士、德国、加拿大、澳大利亚
5、4 4紫硫镍铁矿N i2F e S4加拿大3 9辉砷镍矿N i A s S澳大利亚、摩洛哥3 5镍黄铁矿(N i,F e)9S8俄罗斯、南非、加拿大、澳大利亚、挪威3 4红锑镍矿N i S b加拿大、挪威、澳大利亚、意大利、印度3 3镍华N i3(A s O4)28 H2O德国3 0块硫镍钴矿(C o,N i)3S4德国、捷克共和国、美国、扎伊尔2 9斜方砷镍矿N i A s2加拿大、德国2 8 湿法冶金 2 0 2 3年8月 除上述含镍矿物外,铜镍硫化矿中也存在其他伴生无镍矿物,如磁黄铁矿、铬铁矿、黄铜矿和脉石(二氧化硅、氧化镁、氧化铁、氧化铝、氧化钙等)1 3-1 4。2 铜镍硫化矿的浸出
6、技术2.1 加压氨浸法针对碱性脉石矿物含量较高的低品位铜镍硫化矿,采用常规酸浸法,酸消耗量大,环境污染严重,若矿石中硅含量高,还易产生硅酸盐胶体,造成矿浆固液分离困难;而加压氨浸法既能处理高硅、高碱性脉石矿物的矿石,还可处理含铁、氟、氯、砷、锑等杂质含量较高的矿石1 5。低品位硫化镍精矿和铜镍硫化矿加压氨浸时,通常要求温度为8 01 0 0、氧分压为0.91.1MP a,氧化剂为氧气和氨水,进行两段式浸出。体系中镍、钴与氨分子或铵根离子发生配合反应,形 成 可 溶 性 配 合 物,铁 则 转 化 为 赤 铁 矿(F e2O3)进入渣中,硫在完全反应时大部分转化为硫酸根1 6-1 7,工艺流程如
7、图1所示。加压氨浸反应如下1 8:N i S+2 O2+6 NH3N i(NH3)6S O4;4 F e S+9 O2+8 NH3+4 H2O4(NH4)2S O4+2 F e2O3;2 C u2S+5 O2+1 2 NH3+2(NH4)2S O44 C u(NH3)4S O4+2 H2O;C u S+2 O2+4 NH3C u(NH3)4S O4;2 N i+O2+8 NH3+2(NH4)2S O42 N i(NH3)6S O4+2 H2O;2 C u+O2+4 NH3+2(NH4)2S O42 C u(NH3)4S O4+2 H2O。图1 铜镍硫化矿的加压氨浸的工艺流程 目前世界上共有2家
8、加压氨浸生产硫化镍企业,分别是加拿大F o r tS a s k a t c h e w a n镍精炼厂和 澳 大 利 亚Kw i n a n a镍 精 炼 厂1 9。F o r tS a s k a t c h e w a n镍冶炼厂主要采用两段式逆流浸出压缩空气氧化方法,第一段浸出压力0.8M P a、温度8 5,第二段逆流浸出压力0.9M P a、温度8 0,两段式逆流浸出工艺使铂族金属实际浸出率提升至8 0%以上1 7。K w i n a n a镍精炼厂采用三段式浸出法处理高镍锍,三段式浸出法是在两段加压浸出后增加一段常压浸出,目的是提高镍浸出率及氧气利用率,改进后铂族金属浸出率可提升
9、至9 0%2 0。采用氨浸法处理碱性脉石矿物含量较高的低品位铜镍硫化矿时,浸出液可循环利用,对环境污染小。李启厚等1 5研究了高碱性脉石低品位混合镍矿在NH3-(NH4)2S O4-H2O体系中的浸出行为与机 制,结果表明:在总氨浓度8 m o l/L、c(N H3)c(N H4)2S O4)=1.5 1、氧分压1.3M P a、浸出温度1 2 0、液固体积质量比1 01的最优条件下浸出2h,镍浸出率为7 0.8 6%。镍浸出率偏低是由于大部分赋存于硅酸盐晶格中的镍因热力学原因导致无法被浸出。加压氨浸工艺操作简单,对设备腐蚀小,可回收镍矿中大部分硫,可能有效处理含金属较多难分选的矿石;但该工艺
10、对反应设备要求较苛刻,仅适于处理钴和铂族金属含量较低的物料2 1,且在浸出前期,未溶解矿物表面易形成钝化层,抑制反应进行,因此需向体系施加较大氧分压,从而会导致能耗增加2 2。2.2 常压浸出法常压浸出法在低温条件下进行,无须昂贵的反应设备,能很大程度节约成本和维修费用,且能耗低、操作简单,被认为是一种有潜力的湿法冶金技术。常压酸浸法一般以硫化镍精矿为原料,多用硫酸作浸出剂。常压酸浸的基本流程为:首先分级处理硫化镍矿,之后按一定液固体积质量比与硫酸、硝酸或盐酸混合,再加热浸出,浸出结束后中和处理沉镍,最后回收镍2 3。丁超2 4研究了用硫酸常压浸出硫化镍精矿,在液固体积质量比31、矿酸比11、
11、浸出温度1 0 0、搅拌速度4 0 0r/m i n的最佳条件下浸出8h,镍浸出率达9 2.8 7%,浸出受未反应核收缩模型中的内扩散控制。袁飞刚等2 5研究了在硫423第4 2卷第4期牛泽锟,等:铜镍硫化矿浸出技术研究进展酸-硝酸混酸体系下对低冰镍的常压酸性浸出及动力学,结果表明:在硫酸浓度0.1m o l/L、硝酸浓度0.7 5m o l/L、搅拌速度3 0 0r/m i n、液固体积质量比2 0 01、温度7 0条件下浸出2 0h,镍浸出率为7 3%,镍的浸出行为符合未反应收缩核模型中的内扩散控制模型。主要反应如下:(N ixF e(9-x)S8+6 HN O3+9 H2S O4xN i
12、 S O4+(9-x)F e S O4+8 S0+1 2 H2O+6 NO;F e N i3+4 H2S O43 N i S O4+F e S O4+4 H2;F e N i3+8 HNO33 N i(NO3)2+F e(NO3)2+4 H2。蔡楠等2 6提出了一种用机械活化法提高铜镍硫化矿常压浸出率,先将硫化镍精矿与球按照球料比3 01混合后,在球磨转速6 0 0r/m i n、球磨时间1 2 0m i n条件下进行机械活化强化,之后用硫酸浸出。结果表明:在硫酸浓度2m o l/L、次氯酸钠浓度2m o l/L、温度9 5、液固体积质量比51、搅 拌 速 度4 0 0r/m i n条 件 下
13、 浸 出1 2 0m i n,镍、钴 浸 出 率 分 别 达9 8.5 0%和9 8.4 0%,而未使用机械活化强化的镍浸出率仅为1 1.4 2%。这说明机械力学破坏了镍精矿结构,提高了镍精矿浸出性能,并显著提高了常压浸出条件下有价金属浸出率。多数常压浸出工艺都会采用机械活化强化流程,通过破坏铜镍硫化矿晶格结构,使其中有价金属裸露面积增大,提高金属浸出率。硫酸化焙烧水浸是一种对原料适应性强、流程短、效率高的镍矿常压浸出工艺。贾志良2 7研究采用硫酸化焙烧水浸工艺从镍混合矿中提取有价金属,结果表明:最佳工艺条件下,镍、铁、钴浸出率分别达8 8.9 9%、8 3.1 5%和9 8.7 6%;以5%
14、硫酸钠为碱金属硫酸盐助剂,利用碱金属硫酸盐助剂的烧结作用可有效破坏焙烧过程中产生的硫酸盐膜,促进体系中气体内扩散,硫酸钠提供的碱性金属钠离子通过与镍矿中的酸性脉石反应破坏矿物的结构,加快硫酸化进程,从而提高镍回收率,镍、铁、钴 浸 出 率 分 别 提 升 至9 8.7 8%、9 0.1 2%、9 9.1 5%。硫酸铵因结构稳定、价格低,且产物为铵盐利于回收和重复利用,通常可作为硫酸化焙烧水浸工艺的助剂。刘欣伟等2 8研究了用硫酸铵焙烧浸出工艺回收低品位镍磁黄铁矿中的有价金属,硫酸铵与镍磁铁矿混合焙烧后加入氨-硫酸铵溶液进行浸出。结果表明:随体系内氨浓度和溶液p H增大,镁离子与亚铁离子发生水解
15、,浸出率下降;但铜浸出率逐渐增大,使得铜的配合物C u(NH3)4+和C u(NH3)2+形成氧化还原电子对,可将镍磁铁矿中的镍不断浸出,从而提高镍浸出率;在最佳试验条件下镍、铜、铁、镁浸出率分别为8 9.5 6%、7 9.3 5%、6 2.5 6%和5 8.1 2%。氯络氧化浸出法是通过控制反应体系的氧化还原电位来提高镍钴等有价金属浸出率和缩短浸出时间。宁志强等2 9用氯化铁对低冰镍进行常压浸出,结果表明:在浸出温度5 0、浸出时间4 8h、氯化铁浓度1.4 m o l/L、液固体积质量比3 01的最佳条件下,镍、铜浸出率达8 7.9%和9 9.5%;通过三价铁离子将低冰镍中的硫元素氧化成单
16、质硫,避免含硫气体排出,实现绿色浸出,但仍未解决浸出时间长的问题。陈光炬等3 0研究了在F e C l3-HC l体系中协同浸出低冰镍,结果表明:根据三价铁离子在酸性介质中具有强氧化性,盐酸会抑制三价铁离子水解的原理进行浸出,在最佳条件下,镍、钴、铜浸出率分别达9 8.4%、9 8.9%、9 7.3%;在氯化浸出体系中产物一般为溶解度大的金属氯化物和呈疏松多孔状的单质硫,有利于缩短浸出时间和提高有价金属浸出率。常压浸出因为操作工艺简单、条件温和,设备生产维修成本低,镍浸出率较高,比其他湿法浸出工艺更具优势;通过机械活化强化后的常压酸浸可有效缩短工艺流程并提高有价金属浸出率,但浸出时间长,浸出液
17、分离困难,酸耗较大,浸出渣中镍含量高,变相增加工艺成本;硫酸化焙烧浸出工艺对原料的适应性强,但能耗过高,需进一步处理焙烧产生的废气;氯络氧化和酸浸的协同浸出虽能有效提高目标金属浸出率、缩短工艺流程,但目前仍无法应用于工业化生产3 1-3 2。2.3 加压酸浸法采用加压酸浸法处理铜镍硫化矿,钴浸出率高,但镁会优先于镍、钴等有价金属浸出,增加酸耗,因此更适用于浸出高钴低镁的铜镍硫化矿。考虑到硫化镍矿的特殊矿物学特性,常将氧气作为从硫化镍矿中提取镍的氧化剂。根据亨利定律,随氧气分压增大,萃取速度显著加快。氧压酸浸因具有浸出率高、浸出时间短等优点,近年来受到越来越多关注。加压酸浸常以氧气为氧化剂,各类
18、酸溶液(多为硫酸、硝酸)为浸出剂,通过改变浸出条件(温523 湿法冶金 2 0 2 3年8月度、压强、液固体积质量比、浸出时间等)从硫化镍矿中提取目标金属,也可选择性浸出其他金属3 3,工艺流程如图2所示。主要反应如下:2 N i+2 H2S O4+O22 N i S O4+2 H2O;2 C u+2 H2S O4+O22 C u S O4+2 H2O;2 C o+2 H2S O4+O22 C o S O4+2 H2O。硫化镍矿浸出主要反应如下:2 N i3S2+2 H2S O4+O22 N i S O4+2 H2O+4 N i S;8 N i S+2 H2S O4+O22 N i S O4+
19、2 H2O+2 N i3S4。图2 铜镍硫化矿的氧压酸浸工艺流程 M c d o n a l d等3 4对低品位硫化镍精矿的高温氧压浸出工艺的机制和元素走向进行了研究。结果表明:在温度2 5 0、固液质量体积比11 0、氧分压0.7M P a条件下浸出2h,镍、钴浸出率均可达9 9%;用低氧分压(1 0 0k P a)控制硫化矿原料的氧化过程,镍、铁、铜硫化物的氧化有先后顺序,黄铜矿和黄铁矿最后被浸出,导致铜、钴浸出速率变慢;另外以硫酸镁为缓冲液,可使赤铁矿快速沉淀,减少碱式硫酸铁的形成,利于渣的储存。H u a n gK.等3 5研究了从低品位硫化镍矿氧压 酸浸液中回收镍、钴、铜,该技术分4
20、个步骤:氧压酸浸、溶剂萃取分离铜、高温水解沉淀除铁、硫化钠选择性沉镍和钴。铜总回收率可达9 5%以上,镍和钴总回收率均在9 9%以上,铁、镁、钙等杂质去除率也均接近9 9%,回收有价金属效果较好,且对环境友好,适用于处理镍、钴、铜含量较低,且同时存在铁、钙、镁等杂质金属离子浓度相似的溶液。谢铿等3 6研究了氧压酸浸赞比亚某硫化镍精矿,在最佳浸出条件下,镍、钴浸出率可达9 9%。加压酸浸工艺经过几十年的发展,相对比较成熟,适合处理低品位复杂共伴生的硫化镍矿。该工艺具有有价金属浸出率较高、工艺流程短等优点;但设备昂贵,还存在结垢严重问题,需要定期停产清理釜体,会影响工厂生产效率,且因前期投资和维修
21、费用高,使其在工业化应用中相较其他浸出工艺略呈劣势3 7。2.4 生物浸出法生物浸出法具有投资成本低、工艺流程相对简单、操作简便和环境污染小等优点3 8,主要用于低品位难处理镍硫化矿,如贫细杂矿、废矿、表外矿及难采矿3 9等。生物浸出法是通过微生物的新陈代谢或代谢产物将硫化矿中不溶性矿物转化为可溶性矿物进行回收,浸出过程主要包括化学氧化、生物氧化和原电池反应,浸出原理如图3所示。目前,浸出镍硫化矿的生物菌群有2 0余种,按生长最佳 温 度 可 分 为 中 温 菌、中 等 嗜 热 菌 和 高 温菌4 0-4 1,铜镍硫化矿生物浸出常用菌种见表2。图3 铜镍硫化矿的生物浸出原理表2 铜镍硫化矿生物
22、浸出的常用菌种中温菌中等嗜热菌高温菌氧化亚铁硫杆菌(T h i o b a c i l l u s f e e r o o x i d a n s)喜温硫杆菌(T h i o b a c i l l u s c a l d u s)硫化叶菌(S u l f o l o b u s)氧化硫硫杆菌(T h i o b a c i l l u s t h i o o x d a n s)嗜热硫氧化硫杆菌(S u l f o b a c i l l u s t h e r m o s u l f i d o o x i d a n)万座嗜酸两面菌(A c i d i a n u s m a n z a
23、 e n s i s)钩端螺旋硫杆菌(L e p t o s p i r i l l u m f e r r o a a x i d a n)氧化亚铁嗜酸硫杆菌(A c i d i m i c r o b i u m f e r r o o x i d a n)布氏酸菌(A c i d i a n u s b r i e r l e y)623第4 2卷第4期牛泽锟,等:铜镍硫化矿浸出技术研究进展 孙建之4 2研究了用生物浸出法浸出高镁硫化镍矿,所用菌种为混合菌,由亚铁氧化酸硫杆状菌(5 1.2 9%)、嗜酸铁杆菌(1 9.3 1%)和氧化亚铁钩端螺旋菌(1 9.3 1%)组成。结果表明:在矿
24、石粒径小于-7 4m占7 2.1 1%、硫酸添加量3 0 0k g/t、矿浆密度5%、接种量1 2.8 8%条件下,镍浸 出率8 9.4 3%,铜 浸 出 率 为3 6.7 8%,钴 浸 出 率8 4.0 7%,镁浸出率4 9.1 9%;对有价金属浸出率影响最 显 著 的 因 素 是 矿 石 粒 径,对 杂 质 离 子(M g2+)浸出效率影响最显著的因素是硫酸添加量;适宜条件下,采用生物浸出法可使有价金属与杂质离子有效分离,从而提高有价金属浸出率。S a n t o s等4 3研究了用中温铁氧化菌对硫化镍矿进行生物浸出,并考察了添加F e2+对浸出的影响。结果表明:适宜条件下,镍浸出率达7
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