氫氧化鈉法分離回收鎳鈷渣中鋅鈷試驗(yàn)研究

劉鵬飛,湯建偉,王保明,劉 詠,化全縣,張亦飛

(1.鄭州大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450001； 2.中國(guó)科學(xué)院 過(guò)程工程研究所，北京 100190；3.鄭州大學(xué) 化工學(xué)院，河南鄭州 450001)

鎳鈷渣是濕法煉鋅過(guò)程中銻鹽凈化工序鋅粉置換凈化除鈷產(chǎn)生的凈化渣，主要成分是鋅和鈷的化合物[1]，是鈷的重要來(lái)源之一。目前，對(duì)鎳鈷渣的處理主要是堆存[2]，使大量鈷資源未得到回收，造成資源浪費(fèi)。

鈷渣的處理方法主要有選擇性浸出法[3]、氧化沉淀法[4-6]、β-萘酚沉鈷法[7-8]、溶劑萃取法[9-10]和氨-硫酸銨法等[11-13]。氧化沉淀法的鈷富集度較高，但產(chǎn)出的渣比較黏，后續(xù)固液分離較困難；β-萘酚法沉淀鈷較為徹底，但工藝流程長(zhǎng)，成本高；溶劑萃取法的鈷浸出率可達(dá)90%，但成本高。氨-硫酸銨法的鈷浸出率可達(dá)97.46%，但后續(xù)從溶液中置換鈷時(shí)鈷損失量較大。因此，目前還沒(méi)有高效的處理方法能夠經(jīng)濟(jì)有效分離處理鎳鈷渣。

鋅、鈷都是兩性金屬，但鋅在高溫氫氧化鈉溶液中以[Zn(OH)4]2-存在，而鈷不能以離子形式存在，因此，研究了以氫氧化鈉為浸出劑，從某鎳鈷渣中浸出并分離鋅和鈷，以期為鎳鈷渣的綜合回收提供新方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料與裝置

氫氧化鈉，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。去離子水，電導(dǎo)率≤0.06 μS/cm，自制。

鎳鈷渣：取自國(guó)內(nèi)某冶煉廠,為含水塊狀物，黑色，于電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干，然后用振動(dòng)磨磨成粉末。物相和組成分析結(jié)果見(jiàn)圖1和表1。

圖1 鎳鈷渣的物相分析結(jié)果

表1 鎳鈷渣的元素組成 %

鎳鈷渣的物相均為無(wú)定型物，表明其中不存在晶體結(jié)構(gòu)的鹽或金屬；主要元素是鋅、鈷和硫，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為33.65%、11.14%和7.03%；主要化合物可能是氫氧化鋅、氧化鋅、硫化鋅、氧化亞鈷、氧化鈷或硫化亞鈷等非晶相化合物。

試驗(yàn)設(shè)備：CM-230型純水機(jī)，北京嘉德清洋環(huán)?？萍加邢薰?；DHG-9075A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒儀器有限公司；GCF型不銹鋼襯鎳高壓反應(yīng)釜，大連自動(dòng)控制設(shè)備廠；X Pert PRO MPD型X射線衍射儀，荷蘭Panalytical公司；ZM 1-2型振動(dòng)磨，長(zhǎng)春科光機(jī)電有限公司；SPN501F型電子天平，0.01 g，美國(guó)奧豪斯儀器有限公司；AR224CN型電子天平，0.000 1 g，美國(guó)奧豪斯儀器有限公司；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；SX2-6-3型馬弗爐，天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司；Optima 5300DV型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)，Perkin Elmer；電子萬(wàn)用爐，1 000 W，天津市泰斯特儀器有限公司；ARL Perform X4200型X射線熒光光譜儀(XRF)，美國(guó)賽默飛世爾科技公司。

1.2 試驗(yàn)原理與方法

用氫氧化鈉浸出過(guò)程中可能發(fā)生的反應(yīng)如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

浸出試驗(yàn)在反應(yīng)釜中進(jìn)行。反應(yīng)釜有效容積0.5 L。將不同濃度氫氧化鈉溶液與鎳鈷渣依次加入反應(yīng)釜中，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后，取出溶液并趁熱過(guò)濾，濾渣洗滌、烘干并稱重，用ICP法測(cè)定濾渣中有價(jià)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

金屬元素浸出率計(jì)算公式為

(5)

式中：m0—鎳鈷渣質(zhì)量，g；m1—浸出渣質(zhì)量，g；w0—鎳鈷渣中金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；w1—浸出渣中金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)鋅、鈷浸出率的影響

溫度70 ℃，氫氧化鈉質(zhì)量濃度398 g/L，液固質(zhì)量比10/1，反應(yīng)時(shí)間對(duì)鋅、鈷浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)鋅、鈷浸出率的影響

由圖2看出：反應(yīng)前0.5 h內(nèi)，鋅、鈷浸出率隨反應(yīng)進(jìn)行而提高，鋅浸出率變化尤為明顯；浸出0.5 h，鋅、鈷浸出率分別達(dá)93.5%和5.11%，并趨于穩(wěn)定，且鈷與鋅分離效果較好。綜合考慮，確定反應(yīng)時(shí)間以0.5 h為宜。

2.2 溫度對(duì)鋅、鈷浸出率的影響

氫氧化鈉質(zhì)量濃度398 g/L，反應(yīng)時(shí)間0.5 h，液固質(zhì)量比10/1，溫度對(duì)鋅、鈷浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度對(duì)鋅、鈷浸出率的影響

由圖3看出：隨溫度升高，鋅、鈷浸出率提高，鋅浸出率變化更顯著；溫度升至70 ℃后，鋅、鈷浸出率均趨于穩(wěn)定。綜合考慮，確定浸出溫度以70 ℃為宜。

2.3 氫氧化鈉質(zhì)量濃度對(duì)鋅、鈷浸出率的影響

溫度70 ℃，液固質(zhì)量比10/1、反應(yīng)時(shí)間1.0 h，氫氧化鈉質(zhì)量濃度對(duì)鋅、鈷浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 氫氧化鈉質(zhì)量濃度對(duì)鋅、鈷浸出率的影響

由圖4看出：氫氧化鈉質(zhì)量濃度低于398 g/L時(shí)，隨氫氧化鈉質(zhì)量濃度升高，鋅浸出率提高，鈷浸出率降低；氫氧化鈉質(zhì)量濃度高于398 g/L后，鋅、鈷浸出率均變化不大。綜合考慮，確定氫氧化鈉質(zhì)量濃度以398 g/L為宜。

2.4 液固質(zhì)量比對(duì)鋅、鈷浸出率的影響

溫度70 ℃，反應(yīng)時(shí)間1.0 h，氫氧化鈉質(zhì)量濃度398 g/L，液固質(zhì)量比對(duì)鋅、鈷浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，浸出渣的元素組成見(jiàn)表2。

圖5 液固質(zhì)量比對(duì)鋅、鈷浸出率的影響

由圖5看出：隨液固質(zhì)量比增大，鋅浸出率提高，鈷浸出率降低；液固質(zhì)量比增至10/1后，鋅浸出率仍略有升高，而鈷浸出率略有降低。液固質(zhì)量比越大，對(duì)鋅、鈷分離越有利，但后續(xù)浸出液的處理會(huì)更困難。綜合考慮，確定液固質(zhì)量比以10/1為宜。

表2 浸出渣的元素組成 %

由表2看出：浸出渣中鈷富集了近3倍，達(dá)32.70%，鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為4.80%，二者實(shí)現(xiàn)了有效分離。浸出液主要為鋅酸鈉溶液，可通過(guò)水解結(jié)晶法回收鋅。

由反應(yīng)式(1)～(4)可知，含鋅化合物可以與氫氧化鈉反應(yīng)，使鋅浸出到溶液中；而含鈷化合物即使與氫氧化鈉反應(yīng)，也會(huì)生成氫氧化亞鈷沉淀進(jìn)入濾渣中，從而使鋅、鈷得到有效分離。

3 結(jié)論

用氫氧化鈉溶液從鎳鈷渣中浸出分離鋅、鈷是可行的，適宜條件下，鋅、鈷得到有效分離，浸出渣中鈷富集接近3倍達(dá)32.70%，鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅4.80%。