陳 鋒

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司, 云南 昆明 650051)

從復(fù)雜多金屬硫化礦中提取鉍的浸出動力學(xué)研究

陳 鋒

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司, 云南 昆明 650051)

研究了采用鹽酸和氯化鐵從低品位復(fù)雜多金屬硫化礦中提取鉍的浸出動力學(xué)。分析了反應(yīng)時間、粒度及鹽酸濃度對鉍浸出率的影響，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算出浸出反應(yīng)的表觀活化能為31.32 kJ/mol。研究表明，收縮核模型可以描述鹽酸濃度超過1 mol/L時的浸出過程，無論在產(chǎn)物層或邊界流體膜，浸出率由一個擴散過程(拋物線浸出)控制，得出了相關(guān)的動力學(xué)方程。

復(fù)雜多金屬硫化礦； 鉍； 浸出動力學(xué)； 氯化鐵； 收縮核模型

0 引言

采用濕法冶金處理硫化鉍精礦日益成為回收鉍和伴生稀有金屬的重要工藝[1-2]。該工藝具有適宜處理低品位和復(fù)雜礦石、高回收率、綜合經(jīng)濟性能好等優(yōu)點。研究在FeCl3存在的條件下，從多金屬硫化礦中浸出鉍的動力學(xué)具有十分積極的意義。

1 試驗

1.1 物料

本研究使用的礦物為云南省個舊市卡房礦山產(chǎn)出的浮選輝鉍礦精礦，主要化學(xué)成分見表1，鉍的物相組成見表2。物料經(jīng)過粉碎和篩分，得到3種粒度范圍的樣品：0.105 ～0.147 mm、0.074～0.105 mm以及0.053～0.074 mm。

表1 物料主要化學(xué)成分 %

表2 物料中鉍的物相組成 %

1.2 試驗方法

試驗在一個浸沒于恒溫水浴中的500 mL玻璃器皿中進行。反應(yīng)器配有3個安裝孔的蓋子，調(diào)速攪拌器通過中心安裝孔固定在蓋子的中心位置，側(cè)面兩個孔分別安裝一個溫度計和一個溶液取樣器。在室溫下將礦石樣品20 g先添加到攪拌的鹽酸溶液中，然后加入FeCl3溶液開始浸出作業(yè)。在選定的時間間隔，提取5 mL溶液樣品，采用原子吸收分光光度計分析鉍含量。

試驗考察了攪拌速度、粒度、溫度、HCl和FeCl3的濃度對浸出的影響。將試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入相關(guān)的動力學(xué)方程式確定速率常數(shù)，通過對速率常數(shù)的統(tǒng)計分析獲得反應(yīng)級數(shù)和反應(yīng)參數(shù)。

2 結(jié)果和討論

2.1 攪拌速度的影響

在粒度0.053～0.074 mm、25 ℃、1.5 mol/L HCl、1 mol/L FeCl3、2 mol/L NaCl、固液比1∶5的條件下研究攪拌速度的影響。攪拌速度分別為(r /min)：0、200、500、800。結(jié)果表明，鉍的浸出率在500 r/min時迅速增大，超過這一速度，浸出率幾乎為一個常數(shù)。因此，在后續(xù)的試驗中，攪拌速度設(shè)定為500 r/min。

2.2 氯化鈉濃度的影響

氯化鈉濃度對浸出的影響見圖1。

粒度0.053～0.074 mm、1.5 mol/L HCl、1 mol/L FeCl3、25 ℃、固液比1∶5圖1 氯化鈉濃度對鉍浸出率的影響

由圖1可見，氯化鈉濃度在0.5～2.0 mol/L范圍內(nèi)對鉍浸出率的影響很大。濃度大于2 mol/L，鉍的浸出率變化不大。

2.3 表觀活化能

研究了25～50 ℃范圍內(nèi)溫度對浸出率的影響，結(jié)果見圖2。

粒度0.053～0.074 mm、1.5 mol/L HCl、1 mol/L FeCl3、2 mol/L NaCl、固液比1∶5圖2 溫度對鉍浸出率的影響

試驗顯示，溫度對浸出率的影響并不顯著，在有FeCl3存在的條件下，鉍可在室溫下進行提取。

為了獲得FeCl3存在時鉍溶解的動力學(xué)方程和表觀活化能，將圖2中的試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入固- 液反應(yīng)的各種動力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)和以下的擴散控制動力學(xué)方程[3-6]最為匹配：

1-3(1-η)2/3+2(1-η)=kt

(1)

(2)

圖3給出了不同溫度條件下1-3(1-η)2/3+2(1-η)與浸出時間的關(guān)系。

從圖3中可以看出，回歸分析顯示所有線性系數(shù)在4個溫度情況下與動力學(xué)方程式的相關(guān)度都大于0.99。此結(jié)果表明，1-3(1-η)2/3+2(1-η)和浸出時間的線性關(guān)系是顯著的。因此認(rèn)為，在FeCl3存在的情況下，從復(fù)雜多金屬硫化礦中浸出鉍時，其浸出速率由通過產(chǎn)物層的擴散進行控制。

基于阿倫尼烏斯(Arrhenius)方程確定出表觀活化能：

(3)

或

(4)

粒度0.05～0.074、1.5 mol/L HCl、1 mol/L FeCl3、2 mol/L NaCl、固液比1∶5圖4 鉍浸出的阿倫尼烏斯圖

2.4 鹽酸濃度的影響

鹽酸濃度對鉍浸出率的影響見圖5。

粒度0.053～0.074 mm、1 mol/L FeCl3、2 mol/L NaCl、25 ℃、固液比1∶5圖5 HCl濃度對鉍浸出率的影響

從圖5可以看出，鹽酸濃度增大，浸出率明顯提高。為獲取高的浸出率，鹽酸始酸濃度至少為1.0 mol/L。

為了獲得氫離子的反應(yīng)級數(shù)，依照參考文獻[7]的活度系數(shù)計算出4種鹽酸濃度下H+的活度，假定在測試范圍內(nèi)的鹽酸完全處于游離狀態(tài)[8]。速率常數(shù)與H+活度的對數(shù)函數(shù)圖見圖6。線的斜率或H+的反應(yīng)級數(shù)為0.65。因此，鹽酸濃度對物料的浸出速率具有強烈影響。

粒度0.05～0.074、1.5 mol/L HCl、1 mol/L FeCl3、2 mol/L NaCl、固液比1∶5圖6 速率常數(shù)與H+活度關(guān)系

2.5 氯化鐵濃度的影響

圖7顯示了氯化鐵濃度對鉍溶解速率的影響。按方程式(1)計算出表觀速率常數(shù)k值，再計算出相對于鐵離子的反應(yīng)級數(shù)為0.35，如此低的值進一步表明整個反應(yīng)速率均由產(chǎn)物層擴散過程控制[9-10]。

粒度0.053～0.074 mm、1.5 mol/L HCl、2 mol/L NaCl、25 ℃、固液比1∶5圖7 氯化鐵濃度對鉍浸出率的影響

2.6 粒度的影響

研究了粒度對浸出的影響，結(jié)果見圖8。

1.5 mol/L HCl、1.0 mol/L FeCl3、2.0 mol/L NaCl、25 ℃、固液比1∶5圖8 粒度與1-3(1-η)2/3+2(1-η)的關(guān)系

粒度0.05～0.074 mm，1.5 mol/l HCl、1 mol/L FeCl3、2 mol/L NaCe、固液比1∶5圖9 速率常數(shù)與平均初始粒度的關(guān)系

(5)

式中：η——反應(yīng)分?jǐn)?shù)；

MA——固體分子量，g/mol；

rd——初始粒度，mm；

T——溫度，K；

k——反應(yīng)速率常數(shù)，min-1；

k0——初始反應(yīng)速率常數(shù)，min-1；

A——指前因子；

a——比例系數(shù)；

t——反應(yīng)時間，min；

Ea——浸出反應(yīng)活化能，kJ/mol；

CB——液體體積濃度或酸度，mol/L；

D——滲透層擴散系數(shù)；

R——理想氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；

ρA——固體密度，g/cm3；

[H+]——氫離子濃度或酸度，mol/L；

[Fe3+]——三價鐵離子濃度，mol/L。

3 結(jié)論

本文研究了FeCl3存在時，采用鹽酸從多金屬硫化礦中提取鉍的浸出動力學(xué)。結(jié)果表明，鹽酸濃度、氯化鐵濃度以及礦石粒度是影響浸出的主要因素。

確定了氫離子的反應(yīng)級數(shù)為0.65、三價鐵離子的反應(yīng)級數(shù)為0.35。浸出率隨著HCl和FeCl3的總量濃度增加而明顯增加。攪拌速度低于500 r/min時，對浸出影響明顯。速率常數(shù)與初始平均粒度的平方倒數(shù)成正比關(guān)系。溫度對浸出的影響不顯著，在有FeCl3存在的條件下，鉍可在室溫下進行提取。浸出過程的動力學(xué)模型可確定為[1-3(1-η)2/3-2(1-η)]=kt，計算的表觀活化能為31.32 kJ/mol。浸出過程由相關(guān)物料的非溶解層通過擴散控制。將各種變量對速率常數(shù)的影響研究結(jié)果導(dǎo)入收縮核模型方程，得出了氯化鐵存在條件下，采用鹽酸室溫下從低品位復(fù)雜多金屬硫化礦中浸出鉍的動力學(xué)方程。

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Leachingkineticsstudyonbismuthextractionfromcomplexpolymetallicsulfideore

CHEN Feng

The leaching kinetics study on bismuth extraction from low-grade complex polymetallic sulfide ore with hydrochloric acid and ferric chloride is carried out. The impact of reaction time, particle size and HCl concentration on the leaching rate is determined. The apparent activation energy is 31.32 kJ/mol as calculated from the test data. The results show that the shrinking core model can describe the leaching process as HCl concentration is over 1.0 mol/L and the leaching rate is controlled by a diffusion process (parabolic leaching) whether in the product layer or boundary fluid film. Relevant leaching kinetics equation is obtained.

complex polymetallic sulfide ore; bismuth; leaching kinetics; ferric chloride; shrinking core model

TF817

A

1672-6103(2017)05-0081-04

陳 鋒(1964—)，男，本科，高級工程師，從事有色冶金工廠的設(shè)計、咨詢、總承包建設(shè)工作。

2016-11-21