常壓鹽酸浸出紅土鎳礦的工藝條件優(yōu)化

李博民1*,宋開放2

(1.華東理工大學(xué) 化工學(xué)院，上海 200237；2.河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 開封 475004)

摘要：為有效提取紅土鎳礦中鎳資源，為工業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù)，本文作者經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)研究，在250 r/min攪拌轉(zhuǎn)速下，采用粒度為0.105 mm的礦粉，得出如下最佳實(shí)驗(yàn)室常壓鹽酸浸出工藝條件：鹽酸初始濃度9.0 mol/L，固液比1∶2.00(礦粉用量不少于250 g)，保溫條件下反應(yīng)時(shí)間30 min，在該最佳實(shí)驗(yàn)條件下鎳的平均浸出率為97.68%.

關(guān)鍵詞：紅土鎳礦；鹽酸；浸出；濕法冶金

中圖分類號(hào)：TF815 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-02-01.

作者簡(jiǎn)介：李博民(1991-), 男, 碩士生, 研究方向?yàn)橐蚁┻x擇性齊聚. *通訊聯(lián)系人,E-mail: 329814225@qq.com.

Study on hydrochloric acid leaching reaction condition from

nickel laterites at atmospheric pressure

LI Bomin1*, SONG Kaifang2

(1.CollegeofChemicalEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China;

2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversity,Kaifeng475004,Henan,China)

Abstract:In order to extract nickel effectively from nickel laterites and to provide basis for industrial production, an optimal hydrochloric acid leaching technology from nickel laterites at atmospheric pressure in laboratory is found through a series of experiments. That is, with the ore sample size of 0.105 mm and rotation rate of 250 r/min, initial hydrochloric acid concentration is 9.0 mol/L, solid/liquid ratio is 1∶2.00 (ore powder not less than 250 g), the leaching time is 30 min, and the average leaching rate of nickel reaches 97.68%.

Keywords:nickel laterites; hydrochloric acid; leach; hydrometallurgy

鎳是一種重要的金屬，主要用于制造不銹鋼、合金鋼、非鐵合金、鎳鉻電池、催化劑和電鍍. 隨著硫化鎳礦資源的減少，占陸地鎳資源72%的低品位紅土鎳礦已成為生產(chǎn)鎳的主要資源[1]. 紅土鎳礦的冶金工藝分火法與濕法兩種，常壓鹽酸浸出工藝(ACPL)屬濕法冶金工藝，其相關(guān)工藝條件的研究工作近年來相繼見諸于報(bào)道[2-4]. 文獻(xiàn)[5-7]對(duì)恒溫條件下的常壓鹽酸浸出反應(yīng)進(jìn)行了研究，得出較為相似的最佳工藝條件：礦粉粒度0.125~0.15 mm，礦粉用量10 g/50 g，初始酸度8 mol/L，固液比1∶4(g/mL)，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時(shí)間2 h，鎳浸出率86.9%~93.94%. 由于常壓鹽酸浸出反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量足以維持反應(yīng)的順利進(jìn)行，因而合理利用反應(yīng)自身產(chǎn)生的熱量達(dá)到理想的鎳浸出效果理應(yīng)成為該工藝的研究重點(diǎn). 本文作者對(duì)常壓鹽酸浸出工藝條件進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以期尋求更為適宜于工業(yè)化生產(chǎn)的常壓鹽酸浸出工藝條件.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1　試劑與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用紅土鎳礦產(chǎn)自菲律賓，礦粉粒度為0.105 mm，主要化學(xué)成分見表1. 使用的試劑為工業(yè)鹽酸和自來水.

表1　紅土鎳礦的化學(xué)成分

實(shí)驗(yàn)中使用的儀器設(shè)備有：2 000 mL與800 mL燒杯、電動(dòng)攪拌器、溫度計(jì)、電子秤、減壓水泵、布氏漏斗、恒溫烘箱. 殘?jiān)墟嚨姆治霾捎枚《糠止夤舛确?，殘?jiān)需F的分析采用重鉻酸鉀滴定法，分析試劑為基準(zhǔn)試劑、分析純?cè)噭┖腿ルx子水.

1.2　實(shí)驗(yàn)步驟

將800 mL的燒杯置于2 000 mL燒杯中，兩燒杯夾層用脫脂棉填充進(jìn)行保溫，燒杯內(nèi)置電動(dòng)攪拌器和溫度計(jì). 用量筒量取一定量的工業(yè)鹽酸和一定量的自來水加入燒杯中配成所需濃度和所需體積的酸溶液(其酸濃度簡(jiǎn)稱“初始酸度”)，在轉(zhuǎn)速約為250 r/min的攪拌條件下緩慢加入一定量的紅土鎳礦粉(加入礦粉時(shí)開始計(jì)時(shí)，2 min內(nèi)加完)，將燒杯口加上兩片帶孔蓋板，攪拌下反應(yīng). 記錄反應(yīng)溶液的溫度變化情況，當(dāng)溫度從最高點(diǎn)開始降溫10 min左右，暫停攪拌，用洗瓶沖洗攪拌葉、溫度計(jì)和燒杯壁上的附著物，然后繼續(xù)攪拌反應(yīng)至所需時(shí)間. 停止攪拌，用洗瓶沖洗溫度計(jì)和攪拌葉，取出800 mL燒杯，在熱的反應(yīng)液中加入一定量的水(體積與礦粉重量相等)使反應(yīng)液稀釋降溫. 用布氏漏斗減壓抽濾，用約500 mL水分兩次洗滌濾渣(部分實(shí)驗(yàn)采用充分洗滌的方式洗滌，即將漏斗中的濾渣傾入燒杯中加水洗滌). 所得濾渣在烘箱中于116.5 ℃下烘干過夜(不少于10 h)，次日稱重，測(cè)定其中Ni、Fe含量.

殘?jiān)实挠?jì)算：

殘?jiān)?殘?jiān)亓俊碌V粉重量×100%

浸出率的計(jì)算：

浸出率=(1-(殘?jiān)墟?鐵量÷礦粉中鎳/鐵量))×100%

=(1-(殘?jiān)亓俊翚堅(jiān)墟?鐵的含量÷礦粉重量×礦粉中鎳/鐵的含量))×100%

2結(jié)果與討論

2.1　 固液比對(duì)反應(yīng)溫度的影響

當(dāng)?shù)V粉用量為150 g，初始酸度10 mol/L，攪拌速度250 r/min，反應(yīng)時(shí)間60 min時(shí)，考察了固液比(g/mL)分別為1∶2.0、1∶1.8和1∶1.6對(duì)反應(yīng)溫度的影響(圖1)，反應(yīng)的初始溫度在22~26 ℃之間，均以室溫22 ℃為基準(zhǔn)進(jìn)行修正. 對(duì)圖1中的3個(gè)實(shí)驗(yàn)的殘?jiān)M(jìn)行測(cè)試，結(jié)果列于表2.

從表2和圖1中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)?shù)V粉用量為150 g，初始酸度為10 mol/L，固液比分別為1∶1.6、1∶1.8和1∶2.0，反應(yīng)時(shí)間60 min時(shí)，鎳的浸出率分別達(dá)到97.63%、98.38%和98.43%，均獲得了較為理想的浸出效果. 隨著酸的用量增加，反應(yīng)達(dá)到最高溫度的時(shí)間變長(zhǎng)(分別為14、20和30 min)，而最高反應(yīng)溫度降低(分別為79、71和68 ℃)，反應(yīng)結(jié)束時(shí)的反應(yīng)溫度提高(分別為47、48和58 ℃). 這是因?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)生的熱量相近，隨著反應(yīng)溶液體積增大，升溫速率變慢，最高溫度降低，而散熱降溫速率相對(duì)變慢. 從反應(yīng)液的溫度變化情況可以預(yù)測(cè)浸出反應(yīng)的進(jìn)程概況：反應(yīng)開始后，隨著反應(yīng)熱的釋放反應(yīng)液溫度逐漸升高，反應(yīng)速度逐漸加快，同時(shí)散熱速率逐漸加快，直至反應(yīng)液達(dá)到最高溫度；當(dāng)反應(yīng)基本完成后，反應(yīng)熱逐漸減少，反應(yīng)溫度逐步降低.

圖1　固液比對(duì)反應(yīng)溫度的影響 Fig.1　Effect of solid/liquid ratio on reaction temperature

Solid/liguidratio/(g·mL-1)LeachingrateofNi/%1∶1.61∶1.81∶2.097.6398.3898.43

2.2　反應(yīng)物料總量對(duì)反應(yīng)溫度的影響

當(dāng)初始酸度為10 mol/L，固液比1∶2.0(g/mL)，分別使用150和240 g礦粉進(jìn)行浸出實(shí)驗(yàn)，在攪拌速度250 r/min下反應(yīng)60 min，反應(yīng)溶液的溫度變化如圖2所示. 對(duì)殘?jiān)M(jìn)行充分洗滌，鎳的浸出率分別為98.43%和98.23%.

圖2　反應(yīng)物料總量對(duì)反應(yīng)溫度的影響 Fig.2　Effect of total material amount on reaction temperature

從圖2中數(shù)據(jù)可以看出，在初始酸度和固液比相同的情況下，當(dāng)?shù)V粉用量為240 g(酸用量為480 mL)時(shí)，與礦粉150 g(酸300 mL)相比，反應(yīng)達(dá)到最高溫度的時(shí)間縮短(從30 min縮短至14 min)，最高反應(yīng)溫度提高(從68 ℃提高至90 ℃)，并且反應(yīng)結(jié)束時(shí)的溶液溫度提高(從58 ℃提高至60 ℃). 由此可見，隨著礦粉和酸用量的等比例增加，反應(yīng)放熱量增加. 從圖2曲線可以推測(cè)，使用240 g礦粉時(shí)(固液比為1∶2.0)，反應(yīng)主要在20 min內(nèi)進(jìn)行，并且在30~40 min內(nèi)應(yīng)能基本完成.

2.3　初始酸度對(duì)浸出效果的影響

當(dāng)?shù)V粉用量為250 g，固液比1∶2.0(g/mL)，轉(zhuǎn)速250 r/min，反應(yīng)時(shí)間40 min，考察了鹽酸的初始酸度(分別為7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5和11.0 mol/L)對(duì)鎳、鐵的浸出效果的影響(表3和圖3).

表3　不同初始酸度下Ni、Fe的浸出率

圖3　不同初始酸度下Ni、Fe的浸出率 Fig.3　Leaching rate of Ni and Fe under different initial acid concentration

從表3和圖3中數(shù)據(jù)可以看出，礦粉中的鎳比鐵更容易被鹽酸溶解. 隨著初始酸度的提高，當(dāng)初始酸度大于9.0 mol/L時(shí)，鎳的浸出率趨于穩(wěn)定(>98%)；而鐵的浸出率卻還在不斷提高(9.0 mol/L時(shí)約為94%，11 mol/L時(shí)達(dá)到98%). 初始酸度小于9.0 mol/L時(shí)，鎳的浸出率相對(duì)偏低，大于10.0 mol/L時(shí)鹽酸顯然已經(jīng)過量，不僅會(huì)造成鹽酸的浪費(fèi)，增加后續(xù)工序的成本，還會(huì)增加HCl氣體對(duì)環(huán)境、設(shè)備和員工身體的損害. 綜合上述因素，選用初始酸度9.0 mol/L，固液比1∶2.0(相當(dāng)于0.018 mol鹽酸/g礦粉)進(jìn)行工藝條件的優(yōu)化.

當(dāng)?shù)V粉用量為250 g，轉(zhuǎn)速250 r/min，反應(yīng)時(shí)間40 min，鹽酸總量4.5 mol(初始酸度分別為7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5和11.0 mol/L，相應(yīng)的固液比分別為1∶2.40、1∶2.25、1∶2.12、1∶2.00、1∶1.90、1∶1.80、1∶1.71和1∶1.64)時(shí)，進(jìn)行鎳、鐵的浸出，結(jié)果如表4、圖4和圖5所示.

表4　等摩爾不同初始酸度下的浸出效果

圖4　等摩爾不同初始酸度下的浸出效果 Fig. 4　Leaching results of Ni and Fe under Equal molar but different initial acid concentration

圖5　等摩爾不同初始酸度對(duì)最高反應(yīng)溫度的影響 Fig. 5　Effect of equal molar but different initial acid concentration on reaction temperature

從表4、圖4和圖5中數(shù)據(jù)以及觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以得出以下結(jié)論： 1)使用等摩爾的鹽酸進(jìn)行浸出反應(yīng)時(shí)，初始酸度是影響鎳鐵浸出率的主要因素，隨著初始酸度的提高，鎳、鐵的浸出率隨之提高，當(dāng)初始酸度達(dá)到9.0 mol/L后，鎳的浸出率基本趨于穩(wěn)定，鐵的浸出率則繼續(xù)提高；2)初始酸度過高時(shí)，鐵的浸出率會(huì)進(jìn)一步提高，對(duì)后續(xù)提取鎳的工藝干擾增大；3)隨著初始酸度的提高(酸的體積減少)，反應(yīng)的最高溫度相應(yīng)提高，將會(huì)提高對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求，增加HCl氣體的溢出量和對(duì)環(huán)境的污染；4)從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中觀察到，初始酸度過高時(shí)，由于溶液黏度較大，反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡黏度較大，容易引起反應(yīng)液的溢出. 綜合上述因素，初始酸度9.0 mol/L以及固液比1∶2.00的礦酸用量比更適宜于工業(yè)生產(chǎn).

2.4　反應(yīng)時(shí)間對(duì)浸出效果的影響

從圖2中反應(yīng)溫度隨反應(yīng)的變化曲線和相關(guān)的Ni浸出率數(shù)據(jù)可以判斷，當(dāng)初始酸度大于9.0 mol/L時(shí)，反應(yīng)在30~40 min內(nèi)即可基本完成. 在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步考察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)鎳浸出率的影響. 實(shí)驗(yàn)條件：250 g礦粉，固液比1∶2.00，攪拌轉(zhuǎn)速250 r/min，初始酸度分別為8.0、9.0和10.0 mol/L，反應(yīng)時(shí)間分別為30、40和60 min. 所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5和圖6所示.

表5　反應(yīng)時(shí)間對(duì)Ni浸出率的影響

圖6　反應(yīng)時(shí)間對(duì)Ni浸出率的影響 Fig. 6　Effect of reaction time on leaching rate of Ni

從表5和圖6中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)初始酸度較低(8.0 mol/L)時(shí)，鎳的浸出率隨反應(yīng)時(shí)間的增加而不斷提高；當(dāng)初始酸度大于9.0 mol/L時(shí)，反應(yīng)30 min即可達(dá)到97%以上的鎳浸出率，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間對(duì)鎳的浸出率沒有明顯影響. 因此，初始酸度為9.0 mol/L時(shí)可達(dá)到較滿意的鎳浸出率.

2.5　 重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

鑒于礦粉的不均勻性、洗滌效果等因素會(huì)對(duì)鎳的浸出率產(chǎn)生影響，為了對(duì)上述結(jié)論進(jìn)一步予以驗(yàn)證，對(duì)選定的實(shí)驗(yàn)條件(礦粉250 g，初始酸度9.0 mol/L，固液比1∶2.00，攪拌轉(zhuǎn)速250 r/min，反應(yīng)時(shí)間30 min)進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，6次實(shí)驗(yàn)所得鎳、鐵浸出數(shù)據(jù)見表6.

從表6中的重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可見，6次實(shí)驗(yàn)的Ni、Fe平均浸出率分別為97.68%和95.50%，數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性較好.

表6　6次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3結(jié)論

考察了紅土鎳礦粉中鎳和鐵的浸出工藝，在250 r/min攪拌轉(zhuǎn)速下，采用粒度為0.105 mm的礦粉，得出以下最佳實(shí)驗(yàn)室常壓鹽酸浸出工藝條件：鹽酸初始濃度9.0 mol/L，固液比1∶2.00(礦粉用量250 g)，反應(yīng)時(shí)間30 min，鎳的平均浸出率為97.68%. 與文獻(xiàn)[5-7]相比，本文作者得到的最佳工藝條件有如下特點(diǎn)：反應(yīng)總量較大、無需加熱、酸耗量小、反應(yīng)時(shí)間短、Ni浸出率高，更適宜于工業(yè)化生產(chǎn).

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[責(zé)任編輯：毛立群]