高硅料液萃銅過(guò)程中界面污物的影響及生產(chǎn)實(shí)踐

摘要：萃銅是濕法煉銅的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，萃取料液硅含量高，但是液-液界面會(huì)生成穩(wěn)定的乳化液，即界面污物。界面污物是由有機(jī)相、水相和固相渣組成的多相非均質(zhì)體系，一般呈絮凝油泥狀。因此，有必要分析高硅料液界面污物生成機(jī)理，提出高硅料液萃取生產(chǎn)的控制措施，明確高硅料液嚴(yán)重界面乳化的處理方法，從而有效控制界面污物的影響，確保萃取作業(yè)正常進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：高硅料液；萃銅；界面污物；界面乳化

中圖分類號(hào)：TF811 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）06-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.014

influence of interface contaminants during copper extraction process with high silicon material solution and its production practice

YAO Xianzhao， FU Chenxiao， HE Jian， CAI Xin

（LA SINO-CONGOLAISE DES MINES S. A.， Kolwezi， Congo（Kinshasa））

Abstract： Copper extraction is a crucial step in wet copper smelting， with high silicon content in the extraction solution， however， stable emulsions， namely interface contaminants， are generated at the liquid-liquid interface. Interface contaminant is a multiphase heterogeneous system composed of organic phase， aqueous phase， and solid phase residue， generally in the form of flocculent oil sludge. Therefore， it is necessary to analyze the mechanism of interface contaminants formation in high silicon material solution， propose control measures for high silicon material solution extraction production， clarify the treatment methods for severe interface emulsification in high silicon material solution， so as to effectively control the impact of interface contaminants and ensure the normal operation of extraction.

Keywords： high silicon material solution; copper extraction; interface contaminants; interface emulsification

在濕法煉銅過(guò)程中，通過(guò)攪拌將空載有機(jī)相與水相料液充分混合，形成乳化液分散體系。其間，萃取劑與銅離子通過(guò)螯合作用緊密結(jié)合，銅離子轉(zhuǎn)移到有機(jī)相，兩相分離后，銅隨有機(jī)相與反萃劑充分混合接觸，有機(jī)相中的銅重新回到反萃溶液，從而完成萃銅過(guò)程[1]。在萃取過(guò)程中，為了保持良好的萃取速度，必須提高兩相接觸面積，充分混合形成乳化液。同時(shí)，乳化液必須是不穩(wěn)定的，兩相混合液進(jìn)入澄清室后，分散相迅速凝結(jié)，兩相要盡快分離。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，液-液界面通常會(huì)生成穩(wěn)定的乳化液，即界面污物[2]。嚴(yán)重的界面乳化表現(xiàn)為界面污物大量增加，兩相分離速度降低，進(jìn)而導(dǎo)致萃取率降低、反萃液質(zhì)量下降，甚至最終導(dǎo)致萃取作業(yè)停產(chǎn)。因此，對(duì)于濕法煉銅廠，嚴(yán)格控制萃取工序界面污物的積累，及時(shí)采用合適的方法處理界面污物是極為重要的[3]。

在濕法煉銅過(guò)程中，礦石中的活性二氧化硅和硅酸鹽（硅孔雀石等）在浸出液中部分溶解，生成水合原硅酸，其在酸性溶液中的平衡溶解度僅為0.15 g/L[4]，但浸出液中硅濃度往往超過(guò)該值，處于過(guò)飽和狀態(tài)，因此將其簡(jiǎn)稱為高硅料液。在過(guò)飽和狀態(tài)下，高硅料液的硅酸分子發(fā)生聚合反應(yīng)，其賦存狀態(tài)為硅溶膠、硅凝膠和含硅聚沉微粒[5]。生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，高硅料液對(duì)萃取的影響較大，與界面污物的生成關(guān)系緊密，必須采取合理措施，才能確保萃取作業(yè)正常進(jìn)行。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，分析高硅料液界面污物生成機(jī)理，提出高硅料液萃取生產(chǎn)的控制措施，明確高硅料液嚴(yán)重界面乳化的處理方法。

1 高硅料液界面污物生成機(jī)理

通常，界面污物是由有機(jī)相、水相和固相渣組成的多相非均質(zhì)體系，以絮凝油泥狀存在。肖立[6]研究發(fā)現(xiàn)，銅萃取過(guò)程會(huì)產(chǎn)生污物，主要成分是有機(jī)溶劑，含量高達(dá)76.1%，其次是水相，占15.8%，渣在污物中僅占8.1%，而渣相的主要成分是SiO2，含量達(dá)到42.92%。鄭明臻等[7]指出，料液可溶硅濃度高是銅萃取過(guò)程生成三相絮凝物的重要原因。料液中硅在飽和狀態(tài)下會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，生成硅溶膠及硅凝膠。聚合反應(yīng)形成的硅氧長(zhǎng)鏈和三維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)互相連接，充滿整個(gè)溶液體系[8]。在萃取過(guò)程中，隨著料液萃銅酸度的增大，硅的過(guò)飽和狀態(tài)進(jìn)一步增強(qiáng)，促使其轉(zhuǎn)變?yōu)楣枞苣z、硅凝膠的趨勢(shì)更加強(qiáng)烈，在特定條件下易轉(zhuǎn)變成無(wú)定型二氧化硅細(xì)顆粒，硅凝膠及固體膠粒對(duì)界面污物的生成有明顯促進(jìn)作用。劉曉榮等[9]研究表明，含硅料液促使溶液中SiO2膠粒在液-液界面共同富集，使界面乳化現(xiàn)象加重，界面污物生成量增大。

某礦業(yè)企業(yè)采用磨浸工藝大量處理低品位氧化原礦，礦石工藝礦物學(xué)研究表明，銅主要以孔雀石及硅孔雀石狀態(tài)賦存，后者在浸出工序會(huì)溶出部分硅，導(dǎo)致浸出液硅含量升高。高硅料液進(jìn)入萃取工序后，萃取作業(yè)產(chǎn)生的界面污物生成量明顯增加，將界面污物抽取后送離心機(jī)處理，分離的污物渣量也明顯增加。因此，分析浸出料液硅含量與萃取界面污物渣量的關(guān)系，其中污物渣量為離心機(jī)處理后分離的固相渣量。數(shù)據(jù)取自2021年2月至2023年8月的生產(chǎn)周期，其間，萃取作業(yè)條件穩(wěn)定，料液流量維持在600～700 m3/d，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示。

數(shù)據(jù)顯示，隨著料液硅含量的升高，萃取界面污物渣量明顯增加，兩者呈正相關(guān)。需要說(shuō)明的是，料液懸浮物含量升高同樣會(huì)導(dǎo)致界面污物大量增加[9]，但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，料液懸浮物含量在該生產(chǎn)周期內(nèi)一直保持平穩(wěn)，因此料液硅含量高是萃取界面污物增多的主要原因。萃取作業(yè)不同工段界面污物烘干后經(jīng)電熱板加熱至700 ℃，去除水相及有機(jī)相，對(duì)固相渣成分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，萃取各級(jí)界面污物固相渣的主要成分是二氧化硅，這與上述機(jī)理分析吻合。

2 高硅料液萃取生產(chǎn)的控制措施

2.1 落實(shí)有機(jī)相連續(xù)作業(yè)

高硅料液萃銅過(guò)程中，界面污物的增加是難以避免的。生產(chǎn)實(shí)踐中，嚴(yán)格開展有機(jī)相連續(xù)作業(yè)，水相為分散相，分布在有機(jī)相中，則界面污物呈油包水結(jié)構(gòu)，其密度介于水相與有機(jī)相之間并趨近水相，因此會(huì)在兩相之間存在并壓縮凝實(shí)。界面污物積累到一定厚度，抽取后進(jìn)行壓濾或離心處理，分離回收有機(jī)相，污物固相渣外排。需要確保的是，界面污物抽取速度要大于其生成速度，但在生產(chǎn)過(guò)程中有時(shí)難以保證。這時(shí)可以采用人工撈取污物的方法提高處理效率，但要盡量減少對(duì)污物層的擾動(dòng)，防止其隨有機(jī)相發(fā)生轉(zhuǎn)移。

2.2 避免采用水相連續(xù)作業(yè)

高硅料液萃銅過(guò)程中，采用水相連續(xù)作業(yè)十分不利。這種作業(yè)條件下，有機(jī)相為分散相，分布在水相中，界面污物呈水包油結(jié)構(gòu)，其組成大部分為有機(jī)相，導(dǎo)致兩者密度十分接近。此時(shí)，界面污物會(huì)在有機(jī)相內(nèi)均勻分布，不再凝實(shí)。隨著有機(jī)相的流動(dòng)，它從萃取級(jí)轉(zhuǎn)移至洗滌級(jí)或反萃級(jí)，導(dǎo)致各級(jí)有機(jī)相中界面污物大量分布，兩相分離速度降低，反萃液質(zhì)量迅速惡化，進(jìn)而影響陰極銅質(zhì)量。生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，高硅料液的萃取級(jí)應(yīng)避免水相連續(xù)運(yùn)行，2～3 h的水相連續(xù)運(yùn)行即可導(dǎo)致嚴(yán)重后果，處理不當(dāng)將導(dǎo)致萃取作業(yè)停機(jī)。

3 高硅料液嚴(yán)重界面乳化的處理方法

高硅料液發(fā)生嚴(yán)重界面乳化，界面污物主要以水包油結(jié)構(gòu)存在。該狀態(tài)下的相間乳化液流變性明顯。靜置的乳化液呈凝膠狀乳塊，攪拌后變成流體，停止攪拌，靜置一段時(shí)間后又恢復(fù)為凝膠狀乳塊，這一過(guò)程反復(fù)可逆進(jìn)行。因此，相間乳化液采用攪拌方式恢復(fù)流動(dòng)，難以實(shí)現(xiàn)兩相分離。若形成水包油乳化液，則結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。經(jīng)機(jī)理分析[8]，水相連續(xù)相中的硅膠聚合物支鏈連接，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有機(jī)相液滴表面的固體微粒與膠體支鏈連接，進(jìn)一步強(qiáng)化三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)包裹隔離有機(jī)相液滴，形成結(jié)構(gòu)障礙，使鑲嵌在此網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的有機(jī)相液滴移動(dòng)阻力增大，無(wú)法聚結(jié)，硅膠聚合物對(duì)界面乳化液的穩(wěn)定起重要促進(jìn)作用。

對(duì)于水相連續(xù)作業(yè)條件下生成的界面污物，采用自然沉降法和機(jī)械攪拌法，處理效果不佳。對(duì)于此類界面污物，在實(shí)際生產(chǎn)中，采用離心法[10]和黏土（活性白土）處理法[11]，處理效果良好。通常先采用離心機(jī)一次處理界面乳化液，高速旋轉(zhuǎn)離心力作用下，硅膠聚合物鏈接被打斷，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，釋放出被包裹的有機(jī)相。三相離心機(jī)可分離出界面污物中的有機(jī)相、水相及固相渣。離心處理的有機(jī)相再用活性白土進(jìn)行處理，活性白土一般是高嶺土或蒙脫石，其表面帶有負(fù)電荷，可有效吸附界面污物中的渣相物質(zhì)[11]。

對(duì)于水相連續(xù)作業(yè)產(chǎn)生的界面污物，依次采用離心處理及活性白土處理，然后對(duì)再生有機(jī)相與浸出液進(jìn)行萃取，觀察其分相時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。料液銅濃度為25.4 g/L，萃取時(shí)間為180 s，新有機(jī)相分相時(shí)間為35 s。數(shù)據(jù)顯示，再生有機(jī)相的萃取分相時(shí)間縮短，并最終與新有機(jī)相分相時(shí)間趨同，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)2次處理后再生有機(jī)相恢復(fù)正常。

4 結(jié)論

高硅料液萃銅會(huì)產(chǎn)生大量的界面污物，對(duì)萃取作業(yè)造成不利影響。高硅料液萃銅宜采用有機(jī)相連續(xù)作業(yè)并及時(shí)處理界面污物，不宜采用水相連續(xù)作業(yè)。水包油結(jié)構(gòu)的界面污物采用一次離心處理，經(jīng)活性白土二次處理后，再生有機(jī)相恢復(fù)正常。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“銅鈷/鉬錸精礦冶煉分離提取關(guān)鍵技術(shù)、裝備與示范”（2022YFC2904505）。

作者簡(jiǎn)介：姚現(xiàn)召（1983—），男，河南鞏義人，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：銅鈷鎳等濕法冶煉生產(chǎn)。