——铜的湿法冶金.pptx

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1、1 1、铜矿品位越来越低、铜矿品位越来越低2 2、大气环境污染、大气环境污染第1页/共41页 Hydrometallurgy of Copper冶金与生态工程学院有色系张娟第2页/共41页湿法冶金发展史及现代湿法冶金湿法冶金发展史及现代湿法冶金焙烧焙烧浸出浸出电积法电积法浸取方式浸取方式以氧化铜矿为例以氧化铜矿为例硫化铜矿湿法冶金硫化铜矿湿法冶金铜矿微生物浸取等其他方法铜矿微生物浸取等其他方法第3页/共41页1 1 铜湿法冶金发展历史铜湿法冶金发展历史湿法炼铜概念：利用溶剂将铜矿、精矿或焙砂中的铜溶解出来，再进一步分离、富集提取的方法。世界冶金史界公认，湿法炼铜的工艺始于中国。汉代淮南万毕术：

2、白青（水胆矾Cu4SO4(OH)6 ）得铁即化为铜。唐朝用铁从天然含铜水流中置换提取铜。两宋时期已形成工业规模，“浸铜法”。宋代史书宋会要辑稿金人南侵南宋时期，随之衰败。第4页/共41页15世纪，欧洲匈牙利西莫尔尼兹，矿水中铁置换铜，西方最早的湿法炼铜厂。1752年，西班牙雷奥廷托矿，铜黄铁矿氧化焙烧浸取置换，西方公认的湿法提铜厂鼻祖。1854年，西班牙，焙烧浸取置换法生产铜专利。20世纪，开始发展并采用堆浸，浸取液流经系列大木桶。美国肯涅科特公司，锥底形置换设备，使机械化程度增加。美国通用选矿化学公司，浸取液中萃取铜不需要碱中和的萃取剂。1968年，美国亚利桑那州然伽施公司，工业试验新萃取剂

3、从堆浸液中回收铜，成本只有市价的一半。第5页/共41页2 2 现代铜湿法冶金现代铜湿法冶金酸与铜矿石反应使铜溶解进入溶液第6页/共41页 铜萃取：铜矿石的浸取液中都含有铁及其他杂质，为了提高铜的产品质量，需要将铜和铁分离。再则，氧化铜浸取液铜的浓度很低，在电积前需要富集铜。 萃取时有机相的质子与水相的铜交换，使铜萃取到有机相，质子进入水相补充浸取消耗的酸： 2RH+CuSO4 = CuR2+H2SO4 羟肟（w）萃取剂：2-羟基二苯酮肟 2-羟基苯乙酮肟 2-羟基苯甲醛肟。第7页/共41页湿法工艺是现代铜工业中最有活力，发展最快的部分。现代湿法提铜主要是从低品位矿，如氧化矿、剥离的表外矿、浮选

4、尾矿、难选硫化矿甚至废弃的矿山中回收铜，这些物料是火法难以利用的。铜在阴极析出，阳极析出氧气并产生等摩尔的硫酸。有机相中负荷的铜用电积残液反萃，得到富电解液，电解液酸度，萃取剂恢复酸的形态，返回萃取。第8页/共41页20世纪80年代以后，世界上铜产量的增加大都来自湿法炼铜的发展。世界各地区湿法炼铜发展不平衡，发源地美国世界领先，智利后来居上，产量赶超北美。火法熔炼电解生产萃取电积法生产第9页/共41页 我国起步不晚，发展较慢，第一家1983年投产。 紫金铜矿大型湿法炼铜厂投产标志着我国湿法炼铜技术和规模已基本达到国际同类技术水平。萃取车间电积车间堆场溶液池第10页/共41页3 3 焙烧焙烧浸出

5、浸出电积法电积法 (1) 焙烧硫酸化焙烧,目的是使铜绝大部分转化 可 溶 于 稀 硫 酸 的 C u S O4和CuOCuSO4, 而铁全部转化为不溶氧化物。最佳焙烧温度为953K。在沸腾焙烧炉中进行。CuS+3/2O2=CuO+SO22SO2+O2=2SO3CuO+SO3=CuSO4从以上反应可知，CuS焙烧的主要产物是CuO或CuSO4、SO2和SO3。生成的CuSO4在一定温度下会进行热分解CuSO4=CuOCuSO4+SO320世纪60年代兴起第11页/共41页（2）浸出和净化焙烧产物中铜主要以CuSO4CuOCuSO4及少量的CuOCu2OCu2S形态存在，铁以Fe2O3及少量的Fe

6、SO4，CuOFe2O3形态存在。工艺条件：温度353363K，(H2SO4)15g/L，焙砂粒度-0.147mm（-100目），固液比为1:1.5 1:2.5, 浸出时间23h, 铜浸出率为9498%。除铁方法：氧化水解法(MnO2)；萃取法。带机械搅拌的耐酸槽第12页/共41页酸过剩、酸过剩、SOSO2 2污染，污染，8080年代纷纷关闭年代纷纷关闭(3) 电积阴极：铜的始极片；阳极：铅锑合金板；电解液：净化液总反应：Cu2+H2O= Cu+1/2O2+2H+槽电压为1.82.5V，电流效率7792%，电解液温度3545C，阴极周期7d，电流密度150180A/m2，同极距离80100mm

7、。电解液中铜离子浓度越低，铁含量越高；温度越高和阴极周期越长，则化学溶解量也越大，电流效率越低，槽电压高和电流效率低，使电耗比铜电解精炼高10倍。第13页/共41页4 4 浸取方式浸取方式以氧化铜矿为例以氧化铜矿为例 浸出主要化学反应：孔雀石： Cu2CO3(OH)2+2H2SO4= 2CuSO4+CO2+3H2O赤铜矿与酸反应，无氧化剂仅一半铜可溶： 2Cu2O +4H2SO4= 4CuSO4+4H2O硅孔雀石与酸反应生成水合二氧化硅包覆在矿物颗粒外面，阻滞反应的进行： CuSiO32H2O +H2SO4= CuSO4+SiO2+3H2O第14页/共41页 4.1 堆浸(heap leach

8、ing)低品位氧化铜矿最重要的浸取方法，通常是指用专门开采的矿石筑堆进行浸取的作业，堆浸有一套严格的作业程序。对矿石铜氧化率要求高，孔雀石、硅孔雀石、赤铜矿石等。脉石成分以石英为主，SiO2含量80%，CaO和MgO之和23%，铜品位0.10.2%。有的学者把含黄铜矿，浸取周期很长的矿石堆浸，也叫heap leaching。对废矿石进行浸取叫作废石堆浸(dump leaching)，它的作业程序简单粗放。第15页/共41页筑堆前预备试验（矿石的矿物组成、成分、理化性质）柱浸实验（获取堆浸设计参数）堆浸工程设计堆浸工程实施堆浸运行堆的复筑堆浸的技术改进第16页/共41页4.2 就地浸出(in s

9、itu leaching)指用浸取剂在矿床的地质原位或其附近，不进行矿石搬运，通过钻孔进行浸出。对埋藏在地下的矿体直接浸出也称作溶液采矿。分三种情况：不改变构造（砂岩），改变构造（水力破碎，爆破）；矿山低品位残余部分。浸取剂：通常是硫酸（美国肯涅科特公司），也有氨、铵盐（硫化矿）、氰化浸取（含金银）。 由于浸取在地下进行，按矿体与水位的相对高低分为三种情况。 美国玛格玛公司第17页/共41页4.2 就地浸出(in situ leaching)优点：省去开拓、采掘和搬运，建设周期短，节省大量资金。不破坏地表，无需大量运输矿石，对环境生态影响小。缺点：回收率取决于矿体的地质构造，有的部位浸取液不能

10、深入，有的矿物被脉石包裹，浸取率低，铜之外的有价金属，尤其是贵金属回收率更低，溶液采矿对地下水构成威胁，注意浸取剂的选择，并将浸取液的流动限制在目标区域，防止外泄或与外部水体混合。第18页/共41页 4.3 薄层堆浸美国霍尔姆斯和拿弗尔公司开发，智利索乌斯矿业公司的帕达辉尔矿首先使用并进一步发展了这种方法。工序：矿石破碎加酸处理堆放熟化筑堆浸取喷淋8mm1m第19页/共41页 4.4 尾矿浸取 4.5 大槽渗进（品味较高氧化矿，浸取液直接电积） 4.6 搅拌槽浸取（成本高，高品位矿石） 4.7 氧化铜矿的氨浸铜离子在氨溶液中形成稳定的配合物，Cu(NH3)n2+。1915年，氨浸法提铜的专利，

11、20年代工业应用。东川汤丹氧化铜矿第20页/共41页5 5 硫化铜矿湿法冶金硫化铜矿湿法冶金硫化矿浸取需用氧化剂（Fe3+）将硫氧化为单质硫或硫酸根使铜溶出。硫酸盐溶液是最重要的硫化铜矿浸取体系。右图对选择浸取条件和了解各化合物及离子存在的电位pH范围有指导意义。硫化铜矿多是半导体，不同溶出休止电位的矿物紧密接触，组成原电池，发生氧化还原反应。第21页/共41页 5.1.1 辉铜矿 5.1.2 斑铜矿 5.1.3 黄铜矿 5.2.1 高温氧化浸取 5.2.2 中温氧化浸取 5.2.3 低温氧化浸取5.2 硫化铜矿酸浸工业应用第22页/共41页5.1.1 辉铜矿的浸取 浸出主要化学反应：第一阶段

12、A：5Cu2S 5Cu1.8S+Cu2+2e第一阶段B：5/3Cu1.8S 5/3Cu1.2S+Cu2+2e（扩散控制）第二阶段：5/6Cu1.2S 5/6S+Cu2+2e（反应控制） 30C，0.5mol/LFe3+及0.001mol/LFe2+为浸取剂，浸取0.1mol/L辉铜矿。起始电位917mV，第一阶段结束时为781mV，第二阶段结束降低到735mV。在90C下，以0.5mol/LFe3+为浸取剂进行第二阶段浸取，2h铜浸取率90%。Cu2S第23页/共41页 5.1.2 斑铜矿的浸取浸出主要化学反应：第一阶段：Cu5FeS4+xFe2(SO4)3 Cu5-XFeS4+2xFeSO4

13、 +xCuSO4第二阶段：Cu5-XFeS4+(4-x)Fe2(SO4)3 CuFeS2+(8-2x)FeSO4 +(4-x)CuSO4+2S35C反应停止于第一阶段Cu5FeS4第24页/共41页5.1.3 黄铜矿的浸取 钝化现象：180C以下时，氧气氧化浸取黄铜矿的速度很慢，化学反应为CuFeS2+4H+O2 Cu2+Fe2+2S+H2O，在200C以上反应速度明显加快，主要反应是CuFeS2+4O2 Cu2+Fe2+2SO42-。在用硫酸铁浸取时也有类似现象。大多数研究者认为是生成的单质硫的膜阻滞进一步反应。也有的认为是由于铁盐水解沉淀形成阻滞膜，这在细菌浸取时，尤其重要，此时溶液pH在

14、1.52之间。CuFeS2第25页/共41页5.1.3 黄铜矿的浸取浸取动力学：黄铜矿浸取活化能很高，较多研究者认为认为化学或电化学反应控制，也有研究者认为孔内扩散造成。非氧化溶解： 95C的3mol/L HCl和0.4mol/L NaCl溶液中浸取14.5h，铜未被浸出，但铁浸出率达11.45%，可能发生的反应CuFeS2+2H+ CuS+Fe2+H2S。亚铁离子的影响：A 硫酸铁浸取黄铜矿反应，随着Fe2+反应速度。B 含硫酸亚铁的稀硫酸溶液通空气浸取黄铜矿速度比含硫酸铁的溶液通空气浸取速度快得多。 CuFeS2+3Cu2+3Fe2+ 2Cu2S+4Fe3+第26页/共41页5.2.1 高

15、温氧化酸浸在200230C，压力在46MPa条件下进行浸取。发生反应2CuFeS2+H2SO4+8.5O2 2CuSO4+Fe2(SO4)3+H2OFe2(SO4)3+3H2O Fe2O3(稳定性好，渣安全排放)+3H2SO43Fe2(SO4)3+14H2O 2(H3O) Fe3(SO4)2(OH) 6 (酸型黄铁矾) +5H2SO4不同温度、pH，还可生成针铁矿FeOOH 、碱式硫酸铁Fe(OH) SO4 黄铜矿和混合矿酸浸高杂质含量铜精矿第27页/共41页5.2.2 中温氧化酸浸在150170C，起始阶段浸取速度比较快。单质硫量的增加，反应速度逐渐下降。提高温度有利于浸取，产生单质硫最好的

16、温度155160C。高于这个温度，硫氧化成硫酸根。表面活性剂或分散剂（木质素磺酸钠、邻苯二胺OPD、一种树皮碎木材提取物Quebracho、氯化物、煤粉），减少液态硫对硫化矿的浸润，减少硫对硫化矿包裹或团聚。加拿大迪那泰克科明科两段浸取第28页/共41页第29页/共41页5.2.3 低温氧化酸浸低于硫的熔点之下的温度氧化浸取黄铜矿 ，同样出现钝化现象。克服钝化现象，一种是活化黄铜矿（热活化、湿法冶金活化、机械活化），另一种是增强浸取剂的氧化能力（硝酸或硝酸盐法）。柏林大学鲁奇密特堡流程/多明尼翁阿克梯福克斯阳光矿业公司第30页/共41页6 6 铜矿的微生物浸取铜矿的微生物浸取（1）细菌使铁和铜

17、的硫化物氧化，Fe2+进入溶液：CuFeS2 +4O2 =CuSO4 + FeSO42FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 2H2SO4（2）细菌使Fe2+氧化成Fe3+：2FeSO4 + 1/2O2 + H2SO4=Fe2(SO4)3 + H2O（3）Fe3+是硫化物和氧化物的氧化剂：Fe2(SO4)3 + Cu2S + 2O2=2FeSO4 + 2CuSO42Fe2(SO4)3 + CuFeS2 + 3O2 +2H2O=5FeSO4 + CuSO4 +2H2SO4Cu2O + Fe2(SO4)3 + H2SO4=2CuSO4 +2FeSO4 + H2O 氧化铁硫杆菌浸出

18、过程第31页/共41页6 6 铜矿的微生物浸取铜矿的微生物浸取 氧化硫杆菌可促使硫化物和硫氧化：S2O32-+5/2O2=2SO42-S+1/2O2+H2O=H2SO4 (参与Fe2+氧化成Fe3+) 环境pH1.53.5，温度2540C，嗜热嗜酸菌 废铁置换沉淀：敞口流槽、圆锥沉淀器（高效），纯度仅8590% 萃取-电积法:萃取剂选择性地将浸出液中的铜萃取进入有机相；用酸溶液反萃负载相,产出可供直接电解的富铜溶液；富铜溶液电解沉积。第32页/共41页 Chemolithotrophic bacteria: Acidithiobacillus（A. ferrooxidans 嗜酸氧化亚铁硫杆菌

19、, A. thiooxidans 嗜酸氧化硫硫杆菌）, L. ferrooxidans 氧化亚铁钩端螺旋菌, S. thermosulfidooxidans嗜热硫氧化硫化杆菌 Heterotrophic bacteria：Sulfolobus（S. acidocaldarius嗜酸热硫化叶菌, S. solfataricus硫矿硫化叶菌 S. brierley布氏硫化叶菌）Chromobacterium violaceum青紫色素杆菌, Pseudomonas fluorescens荧光假单胞菌 Bacillus megaterium巨大芽胞杆菌 Fungi：P. simplissimum简青

20、霉A. niger黑曲霉 机制：酸解、络合和还原过程6 6 铜矿的微生物浸取铜矿的微生物浸取第33页/共41页7 7 氨浸法氨浸法 7.1 化学反应 2CuFeS2+8.5O2+12NH3+(n+2)H2O 2Cu(NH3) 4SO4+2 (NH4)2SO4+Fe2O3nH2O(入渣) Cu2S+2.5O2+(NH4)2SO4+6NH3 2Cu(NH3) 4SO4+H2O CuS+2O2+4NH3 Cu(NH3) 4SO4 2FeS2+7.5O2+8NH3+(m+4)H2O Fe2O3mH2O (入渣) +4(NH4) 2SO4 加压和加温有利于提高反应速度。第34页/共41页7 7 氨浸法氨

21、浸法 CuO+2NH4OH+(NH4)2CO3 Cu(NH3) 4CO3 +3H2O Cu+0.5O2+2NH4OH+(NH4)2CO3 Cu(NH3) 4CO3 +3H2O 7.2 氨溶液中铜的回收 蒸氨沉淀 加热含铜氨溶液，氨被蒸出，CO2也随之蒸出。游离氨浓度降低，铜氨络合物逐渐离解，游离铜离子水解，生成水合氧化物及碱式盐，用硫酸溶解，电积获得高质量铜。硫酸铵不能蒸出，可蒸发结晶出售。也可加入石灰苛化，蒸出氨，石膏丢弃。 氢还原获得纯铜粉第35页/共41页8 8 氯化物浸取法氯化物浸取法 8.1 氧化还原电位Cu+、Cu2+均与氯离子形成配合物，氧化还原电位发生变化，亚铜离子氯配阴离子稳

22、定，因此构成Cu(I)/Cu(II)电对。第36页/共41页 8.2 氯化物体系中的氧化剂 氯化铁CuFeS2+(4-x)FeCl3 xCuCl + (1-x)CuCl2 +(5-x)FeCl2+2S 氯化铜Cu2S+CuCl2 4CuCl +S 电氯化浸取氯气、氯化铁、氯化铜浸取剂使用后变为还原态，需氧化为氧化态后才能重新使用。用电再生浸取剂，就地进行浸取，就是“电氯化浸取”。8 8 氯化物浸取法氯化物浸取法 第37页/共41页8 8 氯化物浸取法氯化物浸取法 氯化铁/氯化铜/氯化钠CuFeS2+FeCl3+ 2CuCl2 3CuCl + 2FeCl2+2S50%黄铜矿反应第38页/共41页8 8 氯化物浸取法氯化物浸取法 第39页/共41页总结萃取剂酸浸、氨浸、氯化物浸取微生物浸取浸取方式：堆浸、就地浸出、薄层堆浸、尾矿浸取、大槽渗进、搅拌槽浸取阴极：铜的始极片；阳极：铅锑合金板；电解液：净化液；总反应：Cu2+H2O= Cu+1/2O2+2H+第40页/共41页感谢您的观看。第41页/共41页