一種電化學(xué)法生產(chǎn)高純金的工藝和裝置

王建軍 ,姬利紅 ,莊宇凱 ,姬亞灃 ,馮桂坤 ,董華繪 ,謝 鋒,王 偉,衡振平

(1.山東招金金銀精煉有限公司,山東 招遠(yuǎn) 265400;2.鄭州金泉礦冶設(shè)備有限公司,河南 鄭州 450000;3.東北大學(xué),遼寧 沈陽 110000)

隨著科技的進(jìn)步,電子、通訊、航空航天和半導(dǎo)體等行業(yè)對黃金的純度提出了更高的要求,要求金原料達(dá)到“高純”以上。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25933—2010 中規(guī)定了高純金中Au 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不低于99.999%[1],雜質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和應(yīng)不大于10 ×10-6。然而我國目前仍有大量高純金依賴進(jìn)口,因此開發(fā)新型高純金制備工藝和設(shè)備具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟(jì)價值。

目前,制備高純金的工藝主要有化學(xué)還原法[2-4]、萃取法[5]和電解法[6-8]等。其中化學(xué)還原法制備高純金工藝簡單、易操作、成 本高、原料適應(yīng)性強(qiáng),但產(chǎn)品純度穩(wěn)定性較差。溶劑萃取法制備高純金,成本低、原料適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)品純度穩(wěn)定性強(qiáng),但存在有機(jī)污染、回收率低等問題。電解法制備高純金成本低、產(chǎn)品純度穩(wěn)定性強(qiáng),但生產(chǎn)周期長、Au 積壓較多。在實際應(yīng)用中,由于原料的品位不同,需根據(jù)原料的特點選擇合適的工藝或多種方法組合來制備高純金[9-10]。

本文介紹了一種電化學(xué)法生產(chǎn)高純金的工藝和裝置[11],該法與常規(guī)金電解不同的是粗金陽極的溶解和金的析出在兩個槽體中進(jìn)行,不用造液,無電解液占壓,金回收率可以達(dá)到99.995%以上。

1 電化學(xué)法生產(chǎn)高純金的工藝

通過使用電化學(xué)生產(chǎn)高純金工藝,來料95%以上粗金,經(jīng)兩次熔鑄陽極板-電化學(xué)溶解-電化學(xué)沉積工藝即可得到含金量99.999%以上金粉,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,無電解液占壓。

電化學(xué)法生產(chǎn)高純金分為兩個過程,一是粗金陽極的溶解過程,即電化學(xué)溶解過程;二是金粉在陰極的析出過程,即電化學(xué)沉積過程。

1.1 電化學(xué)溶解過程

粗金板作陽極,高純鈦板作陰極,A 溶液作電解液。陰陽極之間由一種特殊結(jié)構(gòu)的選擇性離子透過膜(以下簡稱為隔膜E)分隔開,在陽極區(qū)域,粗金溶解形成[AuCl4]-進(jìn)入溶液,隔膜E 可以阻隔陽極室的[AuCl4]-向陰極室移動,白銀以氯化物形態(tài)、鉑族金屬不溶解以單質(zhì)形態(tài)沉淀在陽極室底部,賤金屬溶解以離子形態(tài)透過隔膜E 進(jìn)入到陰極室進(jìn)行還原并在陰極板上富集。等粗金陽極板溶解完畢后,由于隔膜E 的阻隔作用,Au[Ⅲ]在陽極室富集,氯化銀及鉑族金屬氯化物通過過濾器收集進(jìn)行回收。過程中發(fā)生的主要反應(yīng)如下:

陽極:

陰極:

粗金陽極板溶解完畢后,陽極室內(nèi)的含金貴液收集轉(zhuǎn)移至電化學(xué)沉積槽的陰極室。

1.2 電化學(xué)沉積過程

以鈦鍍銥板作陽極,高純鈦板作陰極,B 溶液作電解液。在反應(yīng)開始前,將電化學(xué)溶解槽中陽極室的含金貴液轉(zhuǎn)移至電化學(xué)沉積槽的陰極室,陰陽極之間由隔膜E 分隔開,隔膜E 可以阻礙陰極室的Au3+向陽極移動,同時也會阻止陽極室的其它陽離子向陰極移動。Au3+在電勢作用下得電子在陰極上析出。發(fā)生的主要反應(yīng)如下:

陽極:

為了改善土壤檢測技術(shù)落后的現(xiàn)狀，助推我國農(nóng)業(yè)加速向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)邁進(jìn)，2018年7月，美國最大的測土機(jī)構(gòu)Agsource實驗室同中國達(dá)成深度合作，在史丹利現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園建成國內(nèi)首家集咨詢服務(wù)、土壤測試、測土配方施肥等為一體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合檢測實驗室——蚯蚓測土實驗室。

陰極:

電化學(xué)沉積過程結(jié)束后,陰極室內(nèi)的溶液Au3+濃度<2 g/L,再轉(zhuǎn)移至電化學(xué)溶解槽的陽極室繼續(xù)循環(huán)使用。

圖1 電化學(xué)溶解槽和電化學(xué)沉積槽原理圖

2 電化學(xué)法生產(chǎn)高純金設(shè)備簡介

電化學(xué)法生產(chǎn)高純金設(shè)備包括風(fēng)廚、電化學(xué)溶解槽、電化學(xué)沉積槽、兩臺整流電源配電柜、貴液高位罐、A 溶液高位罐、B 溶液高位罐、廢液高位罐、泵、冷凝系統(tǒng)等設(shè)備。

1.風(fēng)廚:為整套裝置提供反應(yīng)場所。

2.電化學(xué)溶解槽:包括導(dǎo)電銅排,陰極板,隔膜E 等,是粗金陽極板溶解的場所,陰陽極之間由隔膜E 分隔開,包括2 個陽極室和3 個陰極室。

3.電化學(xué)沉積槽:包括導(dǎo)電銅排,陰極板,陽極板,隔膜E 等,是金粉析出的場所,陰陽極之間由隔膜E 分隔開,包括2 個陽極室和3 個陰極室。

4.整流電源配電柜:一臺控制電化學(xué)溶解槽配電,一臺控制電化學(xué)沉積槽配電。

5.貴液高位罐:暫時儲存含金貴液。

6.A 溶液高位槽:暫時儲存A 溶液。

圖2 電化學(xué)法生產(chǎn)高純金設(shè)備示意圖

7.B 溶液高位槽:暫時儲存B 溶液。

8.廢液高位槽:暫時儲存廢液。

9.循環(huán)泵:為電解液的循環(huán)、輸送提供動力。

10.冷凝系統(tǒng):對電解過程中產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行冷凝回流,可有效減少貴金屬和反應(yīng)溶液的損耗。

3 電化學(xué)法生產(chǎn)高純金工藝和設(shè)備的優(yōu)勢

(1)整個工藝無需配置電解液,無電解液占壓,可節(jié)省大量前期投入;同時由于無需配制電解液,整個工藝污染小,電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的少量煙氣只需簡單處理即可滿足國家排放標(biāo)準(zhǔn),減少了廢氣處理的難度。

(2)整個工藝操作簡單,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,兩次反應(yīng)后的金粉純度可達(dá)到99.999%以上。

(3)周期短,電化學(xué)溶解加析出時間只需8～10小時。

(4)整套裝置密封反應(yīng),出氣口設(shè)置冷凝系統(tǒng),可以有效回收揮發(fā)出的,減少溶液和貴金屬的損耗,同時車間環(huán)境大大改善,風(fēng)廚外部設(shè)計有觸摸屏操作系統(tǒng),操作安全便捷。

(5)整套裝置自動化程度高,配備PLC 自動控制系統(tǒng),可電腦遠(yuǎn)端控制整流電源、冷凝系統(tǒng)、循環(huán)泵和輸送泵的啟停,可實時監(jiān)測溶液溫度,各槽體電壓電流,保證整套裝置安全高效的運行,當(dāng)反應(yīng)溫度或槽體電壓電流異常時,系統(tǒng)報警裝置會自動報警并斷電,減少生產(chǎn)過程中的安全隱患。

4 設(shè)備應(yīng)用與產(chǎn)品檢測情況

本套裝置在設(shè)計完成后,于本公司合作企業(yè)山東招金金銀精煉有限公司進(jìn)行了試生產(chǎn),來料為含金量95%以上的粗金粉,經(jīng)過兩次熔鑄陽極板-電化學(xué)溶解-電化學(xué)沉積工藝,已成功生產(chǎn)出符合《GB/T 25933—2010 高純金》要求的高純金。

表1 為山東招金金銀精煉有限公司使用本套裝置產(chǎn)出銀粉的含量,原材料為從全國各地收購的粗金,進(jìn)入到本道工序的原料為提純到95%的粗金,經(jīng)過一次電化學(xué)工藝產(chǎn)出了99.997 5%的1#金,再經(jīng)過一次電化學(xué)工藝得到了含量達(dá)99.999 5%的高純金。

表1 電化學(xué)法產(chǎn)出金粉含量

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了一種生產(chǎn)高純金的工藝及其配套設(shè)備,這種工藝技術(shù)先進(jìn),與電解法和化學(xué)法相比具有污染小、無電解液占壓等優(yōu)點,整套裝置操作簡單,自動化控制、可靠性和安全性高。整套設(shè)備經(jīng)在山東招金金銀精煉有限公司進(jìn)行了試生產(chǎn),原料95%的粗金經(jīng)循環(huán)兩次工藝生產(chǎn)出了滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25933—2010 的高純金。