紅土鎳礦常壓還原浸出試驗(yàn)研究①

羅文波，江愛敏，洪開發(fā)，謝 瑤，龍 瀟

（貴州理工學(xué)院 材料與能源工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003）

紅土鎳礦作為鎳的主要資源，占鎳儲(chǔ)量的60.6%［1-2］，紅土鎳礦鎳含量都比較低（＜3%），且含有大量的鎂、鐵、硅、鋁等雜質(zhì)［3］。目前處理紅土鎳礦的方法主要有火法和濕法兩大類。火法工藝主要生產(chǎn)鎳鐵和鎳硫［4-7］；濕法工藝有氨浸、常壓酸浸和加壓酸浸［8-9］。這些工藝處理紅土鎳礦，存在環(huán)境污染嚴(yán)重、成本高、試劑消耗大等諸多問(wèn)題［10］。

鎂鋅鐵氧體材料不含或少含鎳、鈷、錳等價(jià)格昂貴的金屬，且生產(chǎn)過(guò)程中二價(jià)鎂離子不變價(jià)，其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品磁學(xué)性能也相對(duì)較好，是價(jià)格高昂的高頻鎳鋅鐵氧體材料及低頻錳鋅鐵氧體材料的替代品，已得到廣泛應(yīng)用［11-12］。本文以過(guò)渡型紅土鎳礦為原料，在常壓情況下，以鐵粉為還原劑進(jìn)行還原硫酸浸出，使得紅土鎳礦中的鎳、鈷、鎂、鐵等金屬大量浸出，回收鎳、鈷的同時(shí)，以溶液中的鐵、鎂為原料制備鎂鋅鐵氧體材料，整個(gè)工藝高效利用紅土鎳礦中有價(jià)金屬，提高紅土鎳礦的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料為過(guò)渡型紅土鎳礦，來(lái)自云南元江，其化學(xué)元素分析結(jié)果如表1所示，原料礦物組成見表2，鎳物相分析結(jié)果見表3。

表1 過(guò)渡型紅土鎳礦成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 過(guò)渡型紅土鎳礦礦物組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表3 過(guò)渡型紅土鎳礦鎳物相分析結(jié)果

原料中有價(jià)金屬鎳、鈷含量較低，鐵、鎂、二氧化硅含量較高。紅土鎳礦中主要包含蛇紋石、磁鐵礦、赤褐鐵礦、針鐵礦、二氧化硅，還有少量菱鐵礦等礦物，鎳主要以非結(jié)晶態(tài)或弱晶態(tài)形式存在于硅酸鹽中，部分存在于鐵礦物中，鐵主要以赤褐鐵礦和磁鐵礦物相存在，要實(shí)現(xiàn)鎳、鐵、鎂等有價(jià)金屬的高效浸出，需要高硫酸濃度、高溫、還原等強(qiáng)化條件破壞礦物結(jié)構(gòu)。元江公司的濕法冶煉工藝只提取有價(jià)金屬鎳、鈷，其他元素不回收利用，過(guò)程產(chǎn)生大量含鐵和鎂的廢渣和廢水，造成巨大的環(huán)境污染，也造成資源浪費(fèi)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

主要試驗(yàn)設(shè)備包括HH-S2數(shù)顯恒溫水浴鍋（常熟市金壇大地自動(dòng)化儀器廠）、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、循環(huán)水式多用真空泵SHB-ⅢA。

1.3 試驗(yàn)原理

本試驗(yàn)主要研究在硫酸溶液中加入鐵屑還原浸出紅土鎳礦的情況，盡量浸出紅土鎳礦中的有價(jià)金屬鎳、鈷、鐵、鎂，回收其中的鎳、鈷金屬，溶液中剩余的鎂、鐵用于制備鎂鋅鐵氧體材料。還原酸浸的主要反應(yīng)式如下：

1.4 試驗(yàn)方法

每次試驗(yàn)取50 g原料、適量的還原鐵粉置于500 mL燒杯中，同時(shí)按照一定液固比加入硫酸溶液，將燒杯放入升至指定溫度的恒溫水浴鍋中，開啟攪拌并計(jì)時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行固液分離，濾液留存，濾渣烘干后送樣檢測(cè)有價(jià)金屬含量，計(jì)算金屬浸出率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

將紅土鎳礦球磨至-0.048 mm粒級(jí)占80%，考察浸出溫度、時(shí)間、酸礦比、液固比、還原劑用量等影響對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響。

2.1 酸礦比對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響

采用濃硫酸（98%，化學(xué)純）浸出紅土鎳礦。浸出溫度80℃、浸出時(shí)間6 h、液固比10∶1、攪拌速率為400 r／min，考察了酸礦比（硫酸與紅土鎳礦質(zhì)量比）對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 酸礦比對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響

由圖1可知，隨著酸礦比增加，有價(jià)金屬鎳、鈷、鐵、鎂浸出率不斷增加。這是因?yàn)榱蛩釣榻鰟?，加入硫酸量越多，有價(jià)金屬浸出反應(yīng)速率就越快，反應(yīng)進(jìn)行得更徹底，浸出率相應(yīng)提高。當(dāng)酸礦比為0.5時(shí)，硫酸量不足，沒有足夠的硫酸與原料反應(yīng)，有價(jià)金屬浸出率普遍偏低；當(dāng)酸礦比增加到1.0時(shí)，繼續(xù)再增加硫酸用量，有價(jià)金屬浸出率增加速率趨緩，且硫酸用量過(guò)多，后期需要耗費(fèi)大量中和試劑進(jìn)行中和，增加生產(chǎn)成本。綜合考慮，酸礦比取1.0較為合適。

2.2 浸出時(shí)間對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響

酸礦比1.0，其他條件不變，浸出時(shí)間對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響如圖2所示。

圖2 浸出時(shí)間對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響

由圖2可知，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，有價(jià)金屬浸出率不斷增加。這是因?yàn)榻龇磻?yīng)速率較慢，當(dāng)浸出時(shí)間太短時(shí)，浸出反應(yīng)遠(yuǎn)沒有達(dá)到平衡。當(dāng)浸出時(shí)間2 h時(shí)，有價(jià)金屬鎳、鈷、鐵、鎂浸出率都非常低；當(dāng)浸出時(shí)間增加到6 h時(shí)，有價(jià)金屬鐵、鎳的浸出率較高；繼續(xù)增加浸出時(shí)間，有價(jià)金屬浸出率增加趨緩。綜合考慮，浸出時(shí)間取6 h為宜。

2.3 液固比對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響

浸出時(shí)間6 h，其他條件不變，液固比對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響如圖3所示。

圖3 液固比對(duì)有價(jià)金屬浸出的影響

由圖3可知，由于酸礦比不變，液固比降低，則溶液中硫酸濃度增加，有利于有價(jià)金屬的浸出，可以提高有價(jià)金屬浸出率。液固比3∶1時(shí)，有價(jià)金屬鎳、鐵、鎂的浸出率不是很高，這是因?yàn)橐汗瘫冗^(guò)低，隨著浸出液中硅、鋁量增加，會(huì)生成較多膠狀物，礦漿黏度增大，使得礦漿難以過(guò)濾，濾渣含水量增加，造成大量有價(jià)金屬損失；液固比5∶1時(shí)，礦漿膠狀物濃度降低，過(guò)濾性變好，有價(jià)金屬浸出率反而較液固比3∶1時(shí)更高；繼續(xù)增加液固比時(shí)，由于溶液中硫酸濃度不斷降低，不利于有價(jià)金屬浸出，有價(jià)金屬浸出率不斷降低。綜合考慮，液固比取5∶1為宜。

2.4 浸出溫度對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響

液固比5∶1，其他條件不變，浸出溫度對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響如圖4所示。

圖4 浸出溫度對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響

由圖4可以看出，隨著浸出溫度不斷升高，有價(jià)金屬浸出率總體上不斷增加。溫度對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響主要體現(xiàn)在動(dòng)力學(xué)方面，升高溫度可以提高化學(xué)反應(yīng)速率。常溫時(shí)紅土鎳礦的浸出反應(yīng)速率都較慢，在浸出時(shí)間內(nèi)難以達(dá)到化學(xué)反應(yīng)平衡狀態(tài)。40℃時(shí)，紅土鎳礦浸出反應(yīng)速率緩慢，有價(jià)金屬鎳、鈷、鐵、鎂浸出率都非常低；溫度升高到80℃時(shí)，有價(jià)金屬浸出率已較高，再繼續(xù)提高溫度浸出率增加緩慢，有價(jià)金屬鎳、鎂浸出率反而降低。綜合考慮，浸出溫度取80℃為宜。

2.5 還原劑加入量對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響

浸出溫度80℃，其他條件不變，鐵粉加入量對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響如圖5所示。

圖5 鐵粉加入量對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響

由圖5可知，隨著還原劑鐵粉加入量增加，有價(jià)金屬鐵、鈷浸出率增加較為明顯，這是由于鐵、鈷在紅土鎳礦中部分以三價(jià)氧化物形式存在，還原劑鐵粉的加入可以使部分三價(jià)鈷、鐵氧化物浸出到溶液中。鎳浸出率增加較為緩慢，說(shuō)明此紅土鎳礦中三價(jià)鎳含量較少，大部分以二價(jià)鎳氧化物形式存在；鐵粉的加入對(duì)鎂浸出基本無(wú)影響。綜合考慮，還原劑鐵粉加入量為原礦量的20%為宜。

2.6 優(yōu)化試驗(yàn)

通過(guò)單因素試驗(yàn)，得出紅土鎳礦還原酸浸的優(yōu)化條件為：浸出時(shí)間6 h、溫度80℃、酸礦比1.0、液固比5∶1、還原劑鐵粉加入量為原礦質(zhì)量的20%、攪拌速率400 r／min，在此工藝條件下進(jìn)行了3組平行試驗(yàn)，考察有價(jià)金屬浸出效果及工藝穩(wěn)定性，結(jié)果如表4所示。

表4 優(yōu)化條件試驗(yàn)結(jié)果

優(yōu)化工藝條件下，紅土鎳礦有價(jià)金屬鎳、鈷、鐵、鎂浸出率都比較高，平均浸出率分別為73.25%、68.97%、68.93%、67.45%，利于后續(xù)浸出液分別回收鎳、鈷及共沉淀法制備鎂鋅鐵氧體材料，提高紅土鎳礦的資源利用率。

對(duì)優(yōu)化工藝條件下紅土鎳礦浸出渣進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖6所示。浸出渣主要由蛇紋石、高嶺石、赤鐵礦等物相構(gòu)成，說(shuō)明紅土鎳礦浸出時(shí)原礦中的礦物未完全破壞，致使有價(jià)金屬鎳、鈷、鐵、鎂浸出率偏低。

圖6 浸出渣XRD圖譜

3 結(jié) 論

1）云南元江過(guò)渡型紅土鎳礦中有價(jià)金屬鎳、鈷、鐵、鎂含量為1.15%、0.08%、15.40%、18.50%，主要物相為蛇紋石、磁鐵礦、赤褐鐵礦、針鐵礦、二氧化硅、菱鐵礦，可以采用高硫酸濃度、高溫、還原等強(qiáng)化浸出條件破壞上述礦物結(jié)構(gòu)。

2）過(guò)渡型紅土鎳礦適宜的浸出工藝參數(shù)為：浸出時(shí)間6 h、溫度80℃、酸礦比1.0、液固比5∶1、還原劑鐵粉加入量為原礦質(zhì)量的20%、攪拌速率400 r／min，此時(shí)有價(jià)金屬鎳、鈷、鐵、鎂平均浸出率分別為73.25%、68.97%、68.93%、67.45%。