蛇纹石型红土矿常压酸浸实验研究

曲景奎， 张培育，3， 宋云霞， 郭 强， 齐 涛

(1.中国科学院 湿法冶金清洁生产技术国家工程实验室，北京 100190;2.中国科学院 过程工程研究所绿色过程与工程院重点实验室，北京 100190;3.中国科学院 研究生院，北京 100049)

蛇纹石型红土矿常压酸浸实验研究

曲景奎1，2， 张培育1，2，3， 宋云霞1，2， 郭 强1，2， 齐 涛1，2

(1.中国科学院 湿法冶金清洁生产技术国家工程实验室，北京 100190;2.中国科学院 过程工程研究所绿色过程与工程院重点实验室，北京 100190;3.中国科学院 研究生院，北京 100049)

主要探讨了常压下盐酸对蛇纹石型红土镍矿进行浸出的工艺条件。考察了酸矿比、液固比、反应温度、反应时间等对蛇纹石型红土镍矿浸出的影响。通过实验得出最佳工艺条件:酸矿比为2.5∶1、液固比为5∶1、反应时间为0.5 h、反应温度为100℃。在此条件下镍、钴、铁浸出率分别为100%、100%和90%。

蛇纹石型红土矿;常压酸浸;镍;钴

0 引言

红土镍矿占世界陆地镍资源储量的70%左右。由于其品位低、矿相成分复杂、无法有效的选矿富集，致使其开发利用受到了很大限制［1］。随着世界范围内硫化镍矿的减少以及镍需求量的上涨，红土镍矿的开发利用，已成为当代镍工业的发展方向，也是科研领域亟需解决的热点问题［2］。

具有开采价值的红土镍矿资源主要有褐铁型、腐殖土型(蛇纹石型)和过渡型红土镍矿。褐铁型红土矿中镍品位较低，铁含量很高，此外还含有一定量的金属铬，通常采用湿法冶金技术进行处理。蛇纹石型红土矿中镍品位相对较高，镁含量高，而铁含量较低，通常采用火法炼制镍铁或镍锍的方式提取其中的金属镍［3-5］。但是，由于褐铁型红土矿中镍钴品位低，采用湿法冶金技术提取镍、钴的利润空间较小，如果能够采用湿法冶金方法解决蛇纹石型红土矿的镍钴浸出等问题，将对蛇纹石型红土矿的高效综合利用具有重要意义。

硫酸常压酸浸法处理红土镍矿，一直是众多学者的研究对象，但由于浸出时间长、酸耗高、浸出液难以处理等问题，至今没有实现工业化应用［6-7］。硫酸和盐酸是工业上最常用的两种无机酸，由于成本以及腐蚀性等方面的原因，硫酸的应用要广于盐酸［8］。随着氯化冶金技术的发展，以及防腐材料、设备等方面的进步，盐酸和氯化物浸出已经获得越来越多的重视和应用［9］。随着盐酸再生技术的成熟和工业推广，尤其是氯化铁/氯化亚铁分解技术［10］以及氯化镁分解技术的应用，盐酸浸出的工业应用有望得到进一步推广。盐酸体系有着反应速度快、容易实现介质回收利用等优点［7］。前期的探索实验发现酸矿质量比、液固质量比、浸出温度和浸出时间对各元素浸出率均有影响。笔者对蛇纹石型红土矿中各元素在盐酸中的常压浸出行为进行研究，并确定较佳浸出条件。

1 实验

1.1 原料与设备

1.1.1 原矿与试剂

实验所用红土矿为蛇纹石型，经破碎、研磨后用于实验。该红土矿的元素组成及X射线衍射图谱分别如表1和图1所示。由图1可知，红土矿中的主要物相组成是蛇纹石(Mg3Si2O5(OH)4)和针铁矿(FeO(OH))。

图1 蛇纹石型红土矿XRD谱图Fig.1 XRD patterns of ophiolite laterite

表1 蛇纹石型红土矿化学组成Table 1 Chemical composition of ophiolite laterite %

实验用试剂:

盐酸:质量分数35% ～38%，密度1.17 g/cm3，分析纯，北京化工厂。

去离子水:北京江川环境工程技术有限责任公司。

1.1.2 仪器与装置

试验设备及仪器列于表2，常压酸浸实验装置如图2所示。

表2 主要实验设备及仪器Table 2 Main experimental equipment and instrument

图2 常压酸浸实验装置Fig.2 Experimental configurations for atmospheric acid leaching

1.2 实验方法

酸浸实验中，称取一定量的红土矿，置入玻璃三口瓶中，置入指定量的浸出剂(根据酸矿质量比、液固质量比可以计算出所需要的浓盐酸和去离子水的量，然后配成浸出剂)。将三口瓶置于已恒温的油浴中，机械搅拌400 r/min，冷凝管回流冷凝，并通过温度计测量反应物料的温度。保温一定时间后，将物料取出，抽滤分离，并加水洗涤。滤液和滤饼分别收集测试。

酸浸液通过电感耦合-等离子体发射光谱仪测定其元素的浓度，从而计算各个元素的浸出率。成分分析过程中使用的试剂为优级纯，用水为高纯水(18.25 MΩ·cm，使用Millipore Milli-Q高纯水机制得)。固体样品，在充分磨细后进行X-射线粉末衍射分析，确定其中的矿物晶型。

2 结果与讨论

2.1 酸矿质量比(wao)对各元素浸出效果的影响

浸出实验在反应温度100℃、液固比5∶1、反应时间0.5 h的条件下进行，改变酸矿质量比，得到的各元素浸出率如图3所示。从图中可以看出酸矿质量比对浸出过程的影响较大。随着酸矿质量比的增大，更多的Cl-与金属离子络合，金属元素的溶出速率得到了加强，浸出率有所增加。当酸矿比达到3∶1时，由于酸浓度过高，液体黏度变大，传质减弱，Ni、Fe、Mg等元素的浸出率下降。而Si浸出率下降幅度较大，可能由于溶液中存在以下平衡:

H+浓度增大，导致上述平衡左移，使Si的浸出率略有降低。综合考虑酸耗量及其对各元素的浸出率的影响，最终选择酸矿质量比为2.5∶1。

图3 酸矿比对红土镍矿各元素浸出率的影响(T=100 ℃、t=0.5 h、l/s=5 ∶1)Fig.3 Effect of acid-to-ore ratio on metal extractions

2.2 液固质量比(wls)对各元素浸出效果的影响

在反应温度100℃、反应时间0.5 h、酸矿比2.5∶1条件下，考察了液固比对红土镍矿各元素浸出率的影响，其结果如图4所示。从图中可以看出，随着液固比的增加，Ni、Co的浸出率基本不变，浸出率都达到100%，Fe的浸出率出现先增大后减小的趋势。当液固比很小时，由于酸浓度太高，液体黏度大，传质系数变小，导致Fe、Mg的浸出率低;当液固比很大时，氢离子浓度较低，反应速率下降，导致Fe、Mg、Al、Cr的浸出率降低。考虑到后续的盐酸的回收，液固质量比选为5∶1。

图4 液固比对红土镍矿各元素浸出率的影响(T=100 ℃、t=0.5 h、a/o=2.5 ∶1)Fig.4 Effect of liquid-to-solid ratio on metal extractions

2.3 浸出温度(T)对各元素浸出效果的影响

在反应时间0.5 h、酸矿比2.5∶1、液固比5∶1条件下，考察了温度对各元素的浸出率的影响，其结果如图5所示。从图中可以看出，随着反应温度升高，溶液的黏度降低，传质阻力降低，使得酸与矿石之间的传质速度加快，加快了浸出速率。Ni、Co浸出率逐渐增大，当反应温度为100℃时，Ni、Co浸出率均得到100%。此时Fe浸出率较高，故认为最佳反应温度为100℃。

图5 反应温度对红土镍矿各元素浸出率的影响(t=0.5 h、a/o=2.5 ∶1、l/s=5 ∶1)Fig.5 Effect of leaching temperature on metal extractions

2.4 浸出时间(t)对各元素浸出效果的影响

在反应温度100℃、酸矿比2.5∶1、液固比5∶1条件下，考察液固比对各元素的浸出率的影响，其结果如图6所示。从图中可以看出，随着反应时间的逐渐延长，Ni、Co、Fe的浸出率逐渐增大。当反应时间为0.5 h时，Ni和Co的浸出率均达到100%，Fe的浸出率也接近90%。延长反应时间，有利于提高浸出液中Ni、Co、Fe的浓度，但同时也会增加其它元素的浸出率。考虑到能耗及浸出液中其它元素的净化问题，最佳反应时间定为0.5 h。

对不同浸出时间获得的酸渣进行XRD分析，结果如图7所示。从图7可以看出，随着酸浸时间的延长，酸浸渣主要物相中的蛇纹石(Mg3Si2O5(OH)4)峰逐渐减弱，而石英(SiO2)峰逐渐增强。这与图6中Mg和Si浸出率变化趋势一致，即随着酸浸时间的延长，Mg浸出率提高，Si浸出率降低。

图6 反应时间对红土镍矿各元素浸出率的影响(T=100 ℃、a/o=2.5 ∶1、l/s=5 ∶1)Fig.6 Effect of leaching time on metal extractions

图7 酸浸渣的XRD图(T=100 ℃、a/o=2.5 ∶1、l/s=5 ∶1)Fig.7 XRD patterns of acid-leaching residue

3 结论

采用盐酸常压酸浸方法处理蛇纹石型红土镍矿可以获得较好的浸出效果，Ni、Co的浸出率达到100%，Fe的浸出率达到90%。但盐酸浓度不宜过高，盐酸酸浸最佳工艺条件为:酸矿比为2.5∶1、液固比为5∶1、反应温度为100℃、酸浸时间为0.5 h。浸出渣的XRD图谱也表明了盐酸对矿中蛇纹石的分解效果。

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Experimental study on atmosphere-pressure acid leaching of ophiolite laterite

QU Jingkui1，2， ZHANG Peiyu1，2，3， SONG Yunxia1，2， GUO Qiang1，2， QI Tao1，2

(1.National Engineering Laboratory for Hydrometallurgical Cleaner Production Technology，Chinese Academy of Science Beijing 100190，China;2.Key Laboratory of Green Process ＆ Engineering，Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China;3.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

This paper is concerned mainly with process conditions for atmospheric pressure hydrochloric acid leaching of the serpentine-type nickel laterite and examination of the effects of acid/ore ratio，liquid/solid ratio，time，and temperature on the recovery of nickel，cobalt and iron.The experiment produces the optimal technical conditions:the acid-to-ore ratio of 2.5 ∶1;liquid to solid ratio of 5 ∶1;reaction temperature of 100℃，producing leaching rates of 100%，100%and 90%respectively for nickel，cobalt，iron.

ophiolite laterite;atmosphere-pressure acid leaching;nickel;cobalt

TD982∶TF815∶TF816

A

1671－0118(2012)04－0359－04

2012－05－19

国家科持支撑计划课题(2011BAC06B07);国家杰出青年科学基金资助项目(51125018)

曲景奎(1970－)，男，黑龙江省大庆人，副教授，博士，研究方向:湿法冶金、矿物加工，E-mail:jkqu@home.ipe.ac.cn。

(编辑 晁晓筠)