赞比亚某氧化铜矿石的硫酸酸浸研究_杨思敏.pdf

赞比亚某氧化铜矿石的硫酸酸浸研究 杨思敏 1， 2 寇珏 1， 2 张晓亮 1， 2 孙春宝 1， 2 （1. 北京科技大学土木与资源工程学院， 北京100083； 2. 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室， 北京100083） 摘要赞比亚某低品位高结合率难处理氧化铜矿石铜品位为1.56， 主要铜矿物为赤铜矿、 黄铜矿、 铜蓝、 水 胆矾； 主要脉石矿物为石英、 云母、 铁白云石等。铜氧化率高达82.85， 以结合氧化铜为主； 硫化铜仅占17.15， 主 要为原生硫化铜。为确定该矿石的合理开发利用工艺， 进行了系统的硫酸酸浸试验。结果表明 ①提高浸出试样 细度， 延长浸出时间， 提高浸出温度， 增大液固质量比和搅拌速度均有利于改善氧化铜矿石的浸出效果。②矿石在 磨矿细度为-200目占60、 硫酸浓度为50 g/L、 液固质量比为3、 浸出温度为65 ℃、 搅拌速度为300 r/min， 浸出时间 为120 min情况下， 铜的浸出率达78.64。③硫酸浸出该矿石的浸出动力学受化学反应模型控制， 反应的表观活化 能为37.83 kJ/mol。 关键词氧化铜矿石硫酸酸浸铜浸出率动力学表观活化能 中图分类号TD925.6文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -05-079-05 DOI10.19614/ki.jsks.201905014 Study on Sulfuric Acid Leaching of Copper Oxide Ores in Zambia Yang Simin1， 2Kou Jue1， 2Zhang Xiaoliang1， 2Sun Chunbao1， 22 （1. School of Civil and Resource Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China ； 2. Key Laboratory of High-efficient Mining and Safety of Metal Mines， Ministry of Education， Beijing 100083， China） AbstractThe copper grade of refractory copper oxide ores with low grade and high binding rate in Zambia is 1.56. The major copper ores are cuprite，chalcopyrite，covellite and brochantite. The major gangue minerals are quartz，mica，an- kerite and so on. The oxidation rate of copper reaches up to 82.85， mainly combined copper oxide. Copper sulfide accounts for only 17.15，mainly with primary copper sulfide ores. In order to determine the reasonable development and utilization technology of the ores，systematic sulfuric acid leaching experiments were carried out. The results showed that ①Improving the fineness of leaching samples， increasing the leaching time， improving the leaching temperature， and increasing the liquid- solid mass ratio and stirring speed are beneficial to improve the leaching effect of copper oxide ores.② In the case of grinding fineness of -0.074 mm 60，sulfuric acid concentration of 50 g/L，liquid-solid mass ratio of 3，leaching temperature at 65 ℃， stirring speed at 300 r/min， and the leaching time for 120 min， the leaching rate of copper is up to 78.64.③ Sulfuric acid leaching kinetics of the ores is controlled by the chemical reaction model， and the apparent activation energy of the reac- tion is 37.83 kJ/mol. KeywordsCopper oxide ores， Sulfuric acid leaching， Copper leaching rate， Kinetics， Apparent activation energy 收稿日期2019-03-22 基金项目国家自然基金科学资助项目 （编号 51574018） 。 作者简介杨思敏 （1993） ， 男， 硕士研究生。通讯作者孙春宝 （1963） ， 男， 系主任， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 515 期 2019 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 515 May 2019 氧化铜矿石相对硫化铜矿石来说， 性质较复杂， 处理难度较大， 浮选成本较高， 且选别指标不太理 想， 而浸出工艺具有的投资少、 成本低、 污染小的优 点有力地推动了氧化铜矿石资源的开发 ［1-6］。当然也 有些矿石性质比较特殊的氧化铜矿石， 采用常温浸 出工艺很难达到理想的浸出率， 需要通过加温搅拌 来提高浸出指标 ［7-8］。 试验采用浸出工艺对赞比亚某低品位氧化铜矿 石进行了开发利用工艺条件研究。 1试验原料及方法 1. 1试验原料 试验所用原料为赞比亚某铜矿带有代表性氧化 铜矿石， 铜品位较低， 结合氧化铜含量较高， 为典型 的复杂难处理氧化铜矿石， 其主要化学成分分析结 79 ChaoXing 金属矿山2019年第5期总第515期 果见表1， 铜物相分析结果见表2， XRD图谱见图1。 由表 1 可知， 矿石中有回收价值的元素为铜， SiO2、 Al2O3、 K2O、 MgO等含量较高， 是构成铝硅酸盐矿 物的重要成分。 由表2可知， 矿石的氧化率高达82.85， 以结合 氧化铜为主； 硫化铜仅占17.15， 可见该矿石属于低 品位高结合率难处理氧化铜矿石。 由图1可知， 矿石中的主要矿物为石英、 云母、 赤 铜矿、 黄铜矿、 水胆矾、 铜蓝、 铁白云石。 1. 2试验方法 取100 g碎磨至一定粒度的矿石于500 mL烧杯 中， 加入一定浓度一定量的硫酸溶液 （试验所用试剂 为化学纯试剂） ， 用六联搅拌器加温搅拌的方式浸出 该氧化铜矿石， 反应一定时间， 洗涤、 过滤、 烘干、 分 析并计算铜浸出率。 2试验结果与讨论 2. 1浸出条件试验 2. 1. 1矿石粒度影响试验 在硫酸浓度为50 g/L、 液固质量比3、 搅拌速度为 300 r/min、 温度为65 ℃、 浸出时间为120 min条件下进 行矿石粒度试验， 试验的铜浸出率变化情况见图2。 由图2可知， 在试验磨矿细度范围内， 随着磨矿 细度的提高， 铜浸出率仅小幅升高。综合考虑， 确定 后续试验矿石的磨矿细度为-200目占60。 2. 1. 2浸出温度试验 在矿石磨矿细度为-200目占60、 硫酸浓度为 50 g/L、 液固质量比3、 搅拌速度为300 r/min、 浸出时 间为120 min条件下进行浸出温度试验， 试验的铜浸 出率变化情况见图3。 由图3可知， 矿石的铜浸出率随着浸出体系温度 的升高而明显升高， 浸出温度由25 ℃提高至85 ℃， 铜浸出率由37.00提高到83.69。这主要是因为随 着浸出温度的升高， 既增强了浸出剂的反应活性， 又 加快了浸出剂中H和产物的扩散速度， 且提高浸出温 度有助于破坏结合氧化铜矿的结构， 使H能够更好地 将铜置换出来。综合考虑， 确定浸出温度为65 ℃。 2. 1. 3浸出时间试验 在矿石磨矿细度为-200目占60、 硫酸浓度为 50 g/L、 液固质量比3、 浸出温度为65 ℃、 搅拌速度为 300 r/min条件下进行浸出时间试验， 试验的铜浸出率 变化情况见图4。 由图4可知， 浸出时间由30 min延长至120 min， 铜浸出率由50.48显著提高至75.59； 继续延长浸 出时间， 铜浸出率维持在高位。综合考虑， 确定浸出 时间为120 min。 2. 1. 4液固质量比试验 在矿石磨矿细度为-200目占60、 硫酸浓度为 50 g/L、 浸出温度为65 ℃、 搅拌速度为300 r/min、 浸出 80 ChaoXing 杨思敏等 赞比亚某氧化铜矿石的硫酸酸浸研究2019年第5期 时间为120 min条件下进行液固质量比试验， 试验的 铜浸出率变化情况见图5。 由图5可知， 随着液固比的增大， 铜浸出率先显 著上升后维持在高位。液固比较低时铜浸出率较 低， 一方面是由于浸出液中所提供的H有限， 同时矿 浆较粘稠， 不利于物质交换与扩散， 因而铜浸出率 低。综合考虑， 确定液固质量比为3。 2. 1. 5硫酸浓度试验 在矿石磨矿细度为-200目占60、 液固质量比 为3、 浸出温度为65 ℃、 搅拌速度为300 r/min、 浸出时 间为120 min条件下进行硫酸浓度试验， 试验的铜浸 出率变化情况见图6。 由图6可知， 硫酸溶液初始浓度由25 g/L提高至 50 g/L， 铜浸出率明显升高； 继续提高硫酸溶液的浓 度， 铜浸出率缓慢上升。硫酸之所以可以有效浸出 矿石中的铜， 是因为硫酸溶液中的H能够破坏矿石 中铜矿物的晶体结构， 同时， 较高浓度的硫酸溶液还 具有强氧化性， 将矿石中的少许硫化铜矿物氧化， 进 而将其浸出。综合考虑， 确定硫酸溶液初始浓度为 50 g/L。 2. 1. 6搅拌速度试验 在矿石磨矿细度为-200目占60、 硫酸浓度为 50 g/L、 液固质量比为3、 浸出温度为65 ℃、 浸出时间 为120 min条件下进行搅拌速度试验， 试验的铜浸出 率变化情况见图7。 由图7可知， 随着搅拌速度的增大， 铜浸出率呈 先快后慢的上升趋势。这是因为， 提高搅拌强度有利 于提高矿浆中H和铜离子的扩散速度， 既使H更容 易到达矿石颗粒表面， 又有利于使溶出的铜离子离开 颗粒表面。综合考虑， 确定搅拌速度为300 r/min， 对 应的铜浸出率为78.64。 2. 2浸出动力学分析 氧化铜矿石的酸浸过程属于液固两相反应， 运 用未反应核收缩模型对其浸出过程进行描述。基于 未反应核收缩模型可分为受化学反应控制、 固体产 物层内扩散控制、 固体膜层界面传质和扩散混合控 制， 各个模型控制动力学方程为 ［9-11］ 1-1-x 1 3 krt，（1） 1- 2 3 x-1-x 2 3 kdt，（2） 1 3ln1-x-11-x -1 3 kmt.（3） 式中， x为铜浸出率， ； t为浸出时间， min。 根据矿石磨矿细度为-200目占60、 硫酸浓度 为50 g/L、 液固质量比为3、 搅拌速度为300 r/min条件 下的浸出时间浸出温度试验曲线 （图8） ， 用上述3 种模型对试验数据进行评估， 不同温度下1-1-x 1 3、 1- 2 3 x-1-x 2 3 和 1 3ln1-x-11-x -1 3对时间 t作直 线， 结果见图9、 图10、 图11， 不同温度下拟合的相关 系数R2见表3。 图9、 图10、 图11中直线斜率分别代表表观速率 常数kr、kd、km的值， 依据动力学模型的相关系数R2来 81 ChaoXing 金属矿山2019年第5期总第515期 判定模型的拟合程度。采用3种动力学模型分析氧 化铜矿石的搅拌浸出过程， 固体膜层界面传质和扩 散混合控制与固体产物层内扩散控制动力学模型的 相关系数 R2都较低， 尤其在温度较低时， R2仅为 0.851～0.885， 表明拟合程度较低， 无法合理解释氧 化铜矿石的浸出行为； 而化学反应控制模型的相关 系数R2均大于0.91， 说明氧化铜矿石的酸浸过程受化 学反应模型控制。 根据阿伦尼乌斯方程求解浸出反应的表观活化 能 ［12］ kAe - Ea RT. （4） 式中 k为浸出反应的速率常数， 反应由化学反应模 型控制， 因此k值等于km； A为频率因子， 可通过图11 求得， s-1； Ea为表观活化能， J/mol； R为摩尔气体常数， J/ （mol K） ； T为热力学温度， K。 用lnk对1/T作图， 1/T为自变量， lnk为因变量， 结 果见图12。 由图12可知， 直线的斜率为-Ea/R， 因而求得其 表面活化能Ea为37.83 kJ/mol。 3结论 （1） 赞比亚某低品位高结合率难处理氧化铜矿 石铜品位为1.56， 主要铜矿物为赤铜矿、 黄铜矿、 水 胆矾、 铜蓝； 主要脉石矿物为石英、 云母、 铁白云石 等， 铜氧化率高达82.85， 以结合氧化铜为主； 硫化 铜仅占17.15， 主要为原生硫化铜矿。 （2） 提高浸出试验试样的细度， 延长浸出时间， 提高浸出温度， 增大液固质量比和搅拌速度均有利 于改善氧化铜矿石的浸出效果。矿石在磨矿细度 82 ChaoXing 为-200目占60、 硫酸浓度为50 g/L、 液固质量比为 3、 浸出温度为65 ℃、 搅拌速度为300 r/min， 浸出时间 为120 min情况下， 铜的浸出率达78.64。 （3） 利用未反应核收缩模型得出硫酸浸出氧化 铜矿石的浸出动力学受化学反应模型控制， 温度升 高能够加强硫酸溶液与铜矿石的有效碰撞， 加快溶 液体系分子运动速度， 达到反应所需活化能， 加快反 应速率， 反应的表观活化能为37.83 kJ/mol。 参 考 文 献 赵涌泉.氧化铜矿的处理 ［M］ .北京 冶金工业出版社， 1982. 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