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    銦綿中銦鍺鎵的綜合回收工藝

    2017-08-01 11:31:30丁留亮郭明宜杜新玲李繼文
    關(guān)鍵詞:單寧酸硫酸分?jǐn)?shù)

    丁留亮,劉 偉,郭明宜,杜新玲,李繼文

    (1.河南科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院;b.河南省耐磨材料工程技術(shù)研究中心,河南 洛陽 471023;2.濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 濟源 459000)

    銦綿中銦鍺鎵的綜合回收工藝

    丁留亮1a,1b,劉 偉1a,1b,郭明宜1a,1b,杜新玲2,李繼文1a

    (1.河南科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院;b.河南省耐磨材料工程技術(shù)研究中心,河南 洛陽 471023;2.濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 濟源 459000)

    采用“酸浸-萃銦-萃鎵-沉鍺”工藝,對銦綿中稀散金屬銦鍺鎵進(jìn)行了綜合回收研究,并優(yōu)化了各工序工藝參數(shù)。研究了在硫酸體系下,銦鍺鎵浸出率與浸出溫度、浸出時間和硫酸初始質(zhì)量濃度的關(guān)系,在浸出溫度80 ℃、浸出時間80 min和硫酸初始質(zhì)量濃度180 g/L時,銦鍺鎵浸出效果最好。以30%(體積分?jǐn)?shù))二-2-乙基己基磷酸(P204)+磺化煤油和10%(體積分?jǐn)?shù)) P204+磺化煤油+1.5%(體積分?jǐn)?shù))C7-9異氧肟酸(YW100)為有機相,對銦和鎵進(jìn)行萃取,研究了相比(O/A)、混合時間和料液初始pH值對銦萃取率和鎵萃取率的影響。研究結(jié)果表明:在最佳萃取條件下,即萃取銦相比O/A=1∶1、混合時間5 min和料液初始pH值為0.2時,銦的萃取率最高,為88.5%;萃取鎵相比O/A =1∶1、混合時間3 min和料液初始pH值為0.5時,鎵的萃取率最高,為77.2%。在單寧沉鍺工序中探討了沉淀溫度、pH值、攪拌時間和單寧酸倍數(shù)對鍺沉淀率的影響,得出沉鍺的最佳工藝參數(shù)為:用20倍的單寧酸,在沉淀溫度70 ℃、pH值為2.5的條件下攪拌10 min。

    銦綿;銦;鍺;鎵;綜合回收

    0 引言

    銦鍺鎵屬稀有金屬,因其具有優(yōu)越的性能,在高科技領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。銦(In)及其化合物具有半導(dǎo)體或光電特性,被大量用于液晶顯示器、低溫焊料、紅外光電電極以及新型太陽能電池板[1-2]。鍺(Ge)是優(yōu)良的半導(dǎo)體材料,在半導(dǎo)體、催化和光學(xué)儀器中都有應(yīng)用[3]。鎵(Ga)主要以磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)和鋁砷化鎵(GaAlAs)等形式作為摻雜元素廣泛用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),具有比硅基半導(dǎo)體材料更好的電子性能[4]。中國稀有金屬銦鍺鎵的儲量居世界首位,然而銦鍺鎵在自然界中極少存在獨立礦床,而是伴生于其他金屬礦,所以絕大部分銦鍺鎵是在鉛鋅冶煉過程中以副產(chǎn)品形式綜合回收得到的[5]。典型的煉鋅工藝流程中,浸出渣經(jīng)回轉(zhuǎn)窯處理實現(xiàn)鉛鋅揮發(fā),然后以氧化鋅煙塵形式回收,渣中的銦鍺鎵等稀有金屬也一同揮發(fā)[6]。煙塵經(jīng)兩段浸出,再向浸出液中添加ZnO粉使銦等水解沉淀即可得產(chǎn)物銦綿,是生產(chǎn)中提取銦鍺鎵的主要方法之一[7]。在鋅冶金的同時回收稀有金屬銦鍺鎵,既有很好的經(jīng)濟效益,同時也是環(huán)境保護(hù)的迫切需要。

    文獻(xiàn)[8]采用“高酸浸出-鐵粉還原浸出-富集-萃取”法回收鋅浸出渣中的鎵和鍺,綜合回收率分別為 90.3%和69.2%。文獻(xiàn)[9]分別采用常壓酸浸和高壓酸浸,浸出鋅粉置換渣中的鎵和鍺,確定了最佳浸出工藝參數(shù)和合適的助浸劑。文獻(xiàn)[10]通過先中和、后鋅粉置換的方法,富集了高鐵含銦硫酸鋅溶液中的銦,沉銦率在98%以上。以上文獻(xiàn)都是從酸性浸出渣、鋅粉置換渣或含銦廢液中直接回收銦鍺鎵,而對銦綿的研究較少。文獻(xiàn)[11-12]以鋅渣揮發(fā)后的氧化鋅煙塵為原料,研究了兩段浸出工藝中各參數(shù)對銦浸出率的影響,文獻(xiàn)[12]還探討了浸出液中銦的萃取,但均沒有采用水解法獲得銦綿以富集銦。文獻(xiàn)[13]分析了生產(chǎn)銦綿過程中存在的問題,并改進(jìn)了生產(chǎn)工藝,使得銦綿品位顯著提高,但是對銦綿中稀散金屬的進(jìn)一步回收并沒有研究。本文以銦綿為原料,擬通過“酸浸-萃銦-萃鎵-沉鍺”工藝對銦綿進(jìn)行研究,確定提取稀有金屬銦鍺鎵的最佳工藝參數(shù),可為鋅冶煉中的資源綜合利用提供參考。

    1 試驗

    1.1 試驗原料

    試驗原料為國內(nèi)某企業(yè)鋅冶煉流程中的銦綿,其主要成分見表1。

    表1 銦綿的主要成分 %

    圖1 銦綿的XRD圖譜

    從表1中可以看出:除了鉛 (Pb)、鋅(Zn)和鐵(Fe),銦綿還含有稀有金屬銦鍺鎵,具有很好的回收價值。銦綿的X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)圖譜見圖1。由圖1可以看出:其主要物相為黃鉀鐵礬(KFe3(SO4)2(OH)6)和水合硫酸鋅(ZnSO4·H2O),和表1中鋅(Zn)和鐵(Fe)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的結(jié)果一致,銦鍺鎵因質(zhì)量分?jǐn)?shù)低而沒有明顯的衍射峰。

    1.2 試驗過程

    銦鍺鎵回收工藝流程見圖2。首先,取適量烘干、研磨、過篩后的銦綿,在DF-1S型恒溫加熱磁力攪拌器上攪拌浸出。工藝參數(shù):始酸為80~200 g/L硫酸,溫度為 70~95 ℃,時間為50~90 min,液(體積)固(質(zhì)量)比為10∶1。抽濾所得浸出液分別測定銦鍺鎵質(zhì)量濃度,考察硫酸初始質(zhì)量濃度、浸出溫度和浸出時間對銦鍺鎵浸出率的影響。

    圖2 銦鍺鎵回收工藝流程圖

    然后,浸出液經(jīng)ZnO粉調(diào)節(jié)pH值后用30% (體積分?jǐn)?shù))P204+磺化煤油萃銦,考察相比、混合時間和料液初始pH值對銦萃取率的影響,并用6 mol/L的 HCl溶液反萃富集銦。萃銦余液在30%(體積分?jǐn)?shù))二-2-乙基己基磷酸(P204)+磺化煤油基礎(chǔ)上加1.5%(體積分?jǐn)?shù)) C7-9異氧肟酸(YW100)協(xié)萃鎵,同時探討以上不同參數(shù)對鎵萃取率的影響。

    最后,用單寧酸沉淀萃鎵余液中的鍺,考察沉淀溫度、攪拌時間、pH值和單寧酸相對鍺的倍數(shù)對鍺沉淀率的影響。

    1.3 分析方法

    銦的測定[14]:移取適量含銦液于25 mL比色管,加入1 mL 5 g/L亞硫酸鈉溶液、2 mL 2 g/L的硫脲溶液、15 mL甲苯、2 mL甲紫溶液,振蕩1 min,待分層后棄去水相,有機相離心1 min。用1 cm比色皿和721型可見分光光度計,于540 nm入射波長處,以試劑空白作參比,測定溶液吸光度。

    鎵的測定[15]:移取適量的含鎵液于25 mL比色管,加入1.5 mL 1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))十六烷基三甲基溴化胺(CTMAB)乳化劑、0.65 mL 0.3 g/L苯基熒光酮顯色劑、少許硫脲溶液、以乙酸-乙酸鈉緩沖液定容,靜置 20 min。用1 cm比色皿,以試劑空白作參比,于565 nm處測定溶液吸光度。

    鍺的測定[16]:移取適量的含鍺液于25 mL比色管,加入5 mL濃鹽酸、2 mL 0.3 g/L苯基熒光酮顯色劑、2 mL 1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))CTMAB乳化劑和0.5 mL乙酰丙酮,以水定容后顯色10 min,于510 nm波長處以試劑空白作參比,測定溶液吸光度。

    標(biāo)準(zhǔn)曲線:為了能夠根據(jù)測定的吸光度值準(zhǔn)確讀取銦鍺鎵的質(zhì)量濃度,需要繪制銦鍺鎵質(zhì)量濃度和吸光度關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)曲線。即取5個25 mL比色管并標(biāo)號,依次移取0 mL、2 mL、4 mL、6 mL和8 mL質(zhì)量濃度為 1 μg/mL的銦鍺鎵標(biāo)準(zhǔn)溶液,按銦鍺鎵各自分析方法分別加入相應(yīng)試劑,定容后于銦鍺鎵的最大吸收波長處測定吸光度,得銦鍺鎵的標(biāo)準(zhǔn)曲線,見圖3。表2是銦鍺鎵標(biāo)準(zhǔn)曲線線性擬合的結(jié)果,由方差結(jié)果可知它們的線性度都很好。

    圖3 銦鍺鎵的標(biāo)準(zhǔn)曲線

    金屬元素名稱方差斜率截距銦0.998970.058010.21649鎵0.998460.041810.13369鍺0.999280.055540.11931

    XRD分析:采用Brux-D8 X型射線衍射儀Cu Kα輻射對樣品進(jìn)行衍射分析,波長λ=0.154 056 nm,電壓40 kV,電流40 mA。試樣步進(jìn)時間0.2 s,步長0.02°,2θ測量取10°~90°。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 銦鍺鎵的浸出

    分別稱取10 g銦綿于100 mL硫酸溶液中浸出,考察浸出溫度、浸出時間和硫酸初始質(zhì)量濃度對銦鍺鎵浸出效果的影響,結(jié)果見圖4。圖4a中硫酸初始質(zhì)量濃度180 g/L,浸出時間70 min;圖4b中硫酸初始質(zhì)量濃度180 g/L,浸出溫度90 ℃;圖4c中浸出溫度90 ℃,浸出時間70 min;圖4d是浸出后濾渣的X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)圖譜。

    (a) 銦鍺鎵浸出率與浸出溫度的關(guān)系 (b) 銦鍺鎵浸出率與浸出時間的關(guān)系 (c) 銦鍺鎵浸出率與硫酸初始質(zhì)量濃度的關(guān)系 (d) 浸出后濾渣的XRD圖譜

    圖4 銦鍺鎵浸出率與浸出溫度、浸出時間、硫酸初始質(zhì)量濃度的關(guān)系及浸出后濾渣的XRD圖譜

    從圖4a可以看出:隨著浸出溫度的升高,銦鍺鎵浸出率呈現(xiàn)不同程度的提高,而后趨緩或略有下降,在80 ℃附近銦鍺鎵的綜合浸出效果最好。對于銦鍺鎵氧化物的酸溶反應(yīng),提高浸出溫度可使反應(yīng)速率增大,單位時間的浸出量就大,所以提高浸出溫度可提高各金屬浸出率。但是繼續(xù)提高浸出溫度,銦和鎵的浸出率并沒有明顯增大,而且鍺的浸出率反而降低,這應(yīng)該是由于反應(yīng)物或生成物的擴散變成了控制步驟所致。另外,提高浸出溫度勢必會使能量消耗驟增,所以浸出溫度以80 ℃為宜。從圖4b可以看出:銦和鎵的浸出率在浸出60 min時即達(dá)到較高水平,之后變化不明顯;而鍺的浸出率隨浸出時間變化明顯,在80 min時達(dá)到70%左右。盡管在浸出80 min后繼續(xù)延長浸出時間可以提高銦鍺鎵的浸出率,但效果已不明顯,從成本角度考慮,選擇浸出時間80 min為宜。從圖4c中可以看出:銦鍺鎵浸出率隨著硫酸初始質(zhì)量濃度的增加波動都較大,可知硫酸初始質(zhì)量濃度是影響浸出效果的主要因素。銦和鎵的浸出率隨硫酸初始質(zhì)量濃度的增加先增大而后趨平,鍺則是先增大而后降低,這是因為GeO2在硫酸中的溶解度隨硫酸質(zhì)量濃度的增加而降低,增大硫酸初始質(zhì)量濃度會使溶解的Ge以GeO2形態(tài)沉淀[9]。文獻(xiàn)[17]研究發(fā)現(xiàn):硫酸初始質(zhì)量濃度過高會使大量的Si被浸出,形成硅溶膠,從而吸附Ge造成Ge的損失。從圖4可以看出:鍺的浸出率相對銦和鎵較低,這是因為鍺鎵都具有親鐵性,但鍺除部分與鐵結(jié)合外,還有22%以硅酸鹽形式存在,該部分鍺在酸性條件較難溶解[18]。從浸出后濾渣的XRD圖譜(見圖4d)可以看出:浸出后濾渣的主要成分是PbSO4,與銦綿的XRD圖譜(見圖1)比較可知,鋅、鐵等基本浸出完全。

    綜上所述,在硫酸體系下,銦綿中銦鍺鎵的最佳浸出條件是:浸出溫度80 ℃,浸出時間80 min,硫酸初始質(zhì)量濃度 180 g/L。

    2.2 銦的萃取

    取適量抽濾后的銦綿浸出液,以30%(體積分?jǐn)?shù)) P204+磺化煤油為有機相萃取銦,考察萃取相比、混合時間和料液初始pH值對銦萃取率的影響,結(jié)果見表3。固定條件:(a)考察相比,料液初始pH值為0.2,混合時間 3 min;(b)考察混合時間,料液初始pH值為0.2,相比(有機相/水相,O/A)=1∶1;(c)考察料液初始pH值,相比O/A=1∶1,混合時間 3 min。

    表3 不同萃取相比、混合時間和料液初始pH值下銦的萃取率 %

    由表3相比變化的數(shù)據(jù)可以看出:銦的萃取率隨著相比O/A的增大逐漸提高,但提高的幅度越來越小。因為相比較小時有機相萃取容量小,而且反應(yīng)速率小,表現(xiàn)為一定時間的萃取率低。隨著相比的不斷增大,萃取容量增大,萃取率也增大,但增大的幅度越來越小,所以從降低成本的角度考慮,選擇相比1∶1為宜。由混合時間變化的數(shù)據(jù)可以看出:銦的萃取率隨混合時間增長而增大,5 min后基本保持不變。因為當(dāng)混合時間過短時萃取反應(yīng)還未達(dá)到平衡,被萃取的銦量就少,隨著混合時間的延長,萃取反應(yīng)逐漸完全,萃取率也就達(dá)到最大。雖然通過延長混合時間可以提高銦的萃取率,但是也會大大降低生產(chǎn)效率,故混合時間5 min即可。由料液初始pH值變化的數(shù)據(jù)可以看出:銦的萃取率隨料液初始pH值增大呈下降趨勢。而且觀察發(fā)現(xiàn):隨著料液初始pH值的增大,萃取體系中有渾濁物質(zhì)析出。因為在低酸度下有些離子已滿足水解條件,至pH值為2.0時,萃取體系渾濁已無法繼續(xù)萃取,可見料液初始pH值是影響銦萃取的主要因素。

    綜上所述,適宜的萃銦條件是:萃取相比O/A=1∶1,混合時間5 min,料液初始pH值為0.2。此時,銦的萃取率最高,為88.5%。

    2.3 鎵的萃取

    萃銦余液以10%(體積分?jǐn)?shù))P204+磺化煤油+1.5%(體積分?jǐn)?shù))YW100為有機相萃取鎵,考察鎵的萃取率與萃取相比、混合時間和料液初始pH值的關(guān)系,結(jié)果見表4。固定條件:(a)考察相比,料液初始pH值為0.5,混合時間3 min;(b)考察時間,料液初始pH值為0.5,相比O/A=1∶1;(c)考察料液初始pH值,相比O/A=1∶1,混合時間3 min。

    表4 不同萃取相比、混合時間和料液初始pH值下鎵的萃取率 %

    由表4中相比變化的數(shù)據(jù)可以看出:相比低于1∶1時,鎵的萃取率隨著相比增大而提高,但是當(dāng)相比大于1∶1時,萃取率反而下降。這是因為在相比較小時(O/A<1∶1),增大相比使有機相的萃取容量變大,相應(yīng)地也會提高萃取速率,從而在相比1∶1處萃取率達(dá)到最大值。繼續(xù)增大相比則萃取率下降,這是因為隨著鎵離子更多地進(jìn)入有機相,水相中雜質(zhì)離子的相對濃度增大,過量的有機相使溶液中的雜質(zhì)離子也被萃取,在一定程度上干擾了鎵的萃取,從而導(dǎo)致萃取率的降低。由混合時間變化的數(shù)據(jù)可以看出:隨著混合時間的延長,鎵的萃取率不斷增大,并在3 min時達(dá)到最大,再延長混合時間,萃取率降低,最后趨于穩(wěn)定。萃取率先增大是因為反應(yīng)得越來越充分,而降低則是因為其他離子,特別是鐵離子干擾所致[19]。文獻(xiàn)[8]指出在10%(體積分?jǐn)?shù))P204+磺化煤油+1.5%(體積分?jǐn)?shù)) YW100為有機相的萃取體系下,隨著萃取時間的延長,F(xiàn)e3+的萃取率逐漸增大,從而降低了對鎵的萃取。由料液初始pH值變化的數(shù)據(jù)可以看出:鎵的萃取率隨料液初始pH值增大呈下降趨勢,這是因為隨著料液初始pH值的增大,F(xiàn)e3+的萃取率也大幅增大,影響了對鎵的萃取;在料液初始pH值為2.0時,又因為Fe3+的水解而無法達(dá)到正常萃取效果。所以鐵離子的存在會干擾鎵的萃取,目前亟需尋找一種既高效又經(jīng)濟的除鐵方法,并在萃鎵前增加除鐵工藝。

    綜上所述,適宜的萃鎵條件為:萃取相比O/A=1∶1,混合時間3 min,料液初始pH值為0.5。此時,鎵的萃取率最高,為77.2%。

    2.4 單寧沉鍺

    萃鎵余液采用單寧法沉鍺,考察沉淀溫度、pH值、攪拌時間和單寧酸倍數(shù)對鍺沉淀率的影響,結(jié)果見表5~表8。表5固定條件:pH值2.0,攪拌時間15 min,25倍單寧酸。表6固定條件:沉淀溫度70 ℃,攪拌時間15 min,25倍單寧酸。表7固定條件:沉淀溫度70 ℃,pH值2.0,25倍單寧酸。表8固定條件:沉淀溫度70 ℃,pH值2.0,攪拌時間15 min。

    表5 沉淀溫度對鍺沉淀率的影響

    表6 pH值對鍺沉淀率的影響

    表7 攪拌時間對鍺沉淀率的影響

    表8 單寧酸倍數(shù)對鍺沉淀率的影響

    從表5可以看出:鍺的沉淀率隨著沉淀溫度的提高不斷增大,并于70 ℃時達(dá)到最大,但溫度繼續(xù)升高,鍺的沉淀率下降。這是因為隨著沉淀溫度的升高,單寧酸與鍺的螯合反應(yīng)加快,促進(jìn)了鍺的沉淀。然而單寧酸不穩(wěn)定,當(dāng)溫度高于70 ℃時分子結(jié)構(gòu)容易被分解而破壞[20],而且,如果沉淀溫度過高,已沉淀的鍺可能會再次溶解。

    從表6可以看出:隨著沉淀液pH值的增大,鍺的沉淀率不斷提高,在pH值為2.5時已達(dá)到97%以上,之后再增大pH值,沉淀率變化不明顯。因為隨著pH值的增大,一部分鍺會因水解而沉淀,與此同時沉淀液中殘留的鐵離子也會水解成Fe(OH)3膠體,減少了鐵對單寧酸的消耗,從而也改善了沉淀液的過濾性能。但是繼續(xù)增大pH值,一方面,由于膠體對鍺的吸附會造成鍺的損失;另一方面,其他雜質(zhì)離子的水解析出會降低鍺的品位,所以適宜的pH值為2.5。

    從表7可以看出:鍺的沉淀率隨攪拌時間的延長呈窄幅振蕩趨勢,但在反應(yīng)5 min時即達(dá)到90.0%的沉淀率,說明鍺與單寧酸反應(yīng)迅速,而且適當(dāng)延長攪拌時間可以使鍺與單寧酸反應(yīng)充分,沉淀效果更好。但是繼續(xù)延長攪拌時間,沉淀率并沒有繼續(xù)增大,這是因為攪拌時間太長導(dǎo)致了單寧渣顆粒變細(xì),影響過濾性能的同時也造成了鍺的損失。

    從表8可以看出:鍺的沉淀率隨著單寧酸倍數(shù)的增大而增大,在20倍單寧酸時達(dá)到最大沉淀率94.9%,說明20倍的單寧酸基本可使鍺完全沉淀。但繼續(xù)加大單寧酸倍數(shù),鍺沉淀率反而略有下降。因為單寧酸除與鍺反應(yīng)外,過量的單寧酸還會與Fe3+反應(yīng)生成紫黑色單寧酸鐵膠體懸浮物,不僅使部分鍺夾雜其中造成損失,也惡化了過濾性能[21]。

    綜上所述,單寧沉鍺最佳工藝參數(shù)為:沉淀溫度70 ℃,pH值為2.5,攪拌時間10 min,20倍單寧酸。

    3 結(jié)論

    (1)在硫酸體系下,銦綿中銦鍺鎵的最佳浸出溫度為80 ℃,浸出時間為80 min,硫酸初始質(zhì)量濃度為180 g/L,此工藝參數(shù)下銦鍺鎵浸出率均在80%以上。

    (2)萃取步驟中,在相比O/A=1∶1,混合時間5 min,料液初始pH值為0.2時,銦的萃取效果最好,萃取率達(dá)88.5%;在相比O/A =1∶1,混合時間3 min,料液初始pH值為0.5時,萃鎵效果最好,萃取率達(dá)77.2%。

    (3)在單寧沉鍺中,得出最佳工藝參數(shù)為:用20倍單寧酸在沉淀溫度70 ℃,pH值2.5下攪拌10 min。

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    國家自然科學(xué)基金項目(U1404511);河南省重點攻關(guān)基金項目(142102210044);濟源市科技攻關(guān)基金項目(15012027)

    丁留亮(1992-),男,河南周口人,碩士生;劉偉(1981-),男,河北石家莊人,講師,博士,主要從事重金屬資源綜合利用及功能材料開發(fā).

    2016-08-31

    1672-6871(2017)02-0011-06

    10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.02.003

    TF111

    A

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