基于常压酸浸的低品位红土镍矿综合利用研究

司金凤，李丙亮

（山东工业职业学院冶金与汽车工程学院，山东 淄博 256414）

镍是一种重要的战略金属材料，具有良好的延展性、抗腐蚀性和高温机械强度，在国防、航空航天、交通、石化、能源等领域具有重要意义。2011—2019 年，随着不锈钢市场的快速发展、动力锂电池需求的扩大及镍铁合金的兴起，我国镍产量以每年10.93%的速度快速增长。镍消费量的与日俱增导致硫化镍矿与高品位红土镍矿的资源短缺[1]，开展含镍量低于1%的低品位红土镍矿处理工艺研究日益迫切。目前，低品位红土镍矿主要采用湿法冶炼工艺。其中，还原焙烧-氨浸法和堆浸法存在浸出率低、浸出液难处理等问题[1]；加压酸浸法虽然浸出率高，但是存在工艺复杂、能耗高、设备质量要求严格[2]、污染重等问题；生物浸出法则存在工艺不成熟、材料成本高、效果不稳定等缺陷。常压酸浸法具有原料适应性强、工艺简单易控制、技术指标好、污染少等优势，具有很大的发展潜力[3]，但也存在分离浸出液困难、浸出渣综合利用差等弊端。本文以常压酸浸法对低品位红土镍矿进行系统研究，优化矿粉浸出条件使矿物中的有价金属高效浸出，并在此基础上研究浸出渣中有价元素的高效、高质、高值、资源化利用，实现废弃物综合利用及绿色生产。

1 试验部分

1.1 红土镍矿的化学成分

试验所用原料为我国的低品位红土镍矿，其化学成分如表1所示。该红土镍矿中，镍含量只有0.83%，而SiO2含量高达40.45%，MgO 含量高达34.86%，Fe2O3含量为14.77%。如果在生产中只提取金属镍，就会产生大量废渣，污染环境，还会浪费大量有价金属资源。只有采用综合利用的新冶炼工艺，分离提取红土镍矿中的硅、铁、镍、镁，才能实现金属资源利用价值的最大化。

表1 红土镍矿的化学成分

1.2 红土镍矿的主要物相

对试验所用红土镍矿进行X 射线衍射（XRD）分析，明确其矿物组成，结果如图1 所示。该红土镍矿的主要矿物包括蛇纹石、石英、铁的氧化物（Fe2O3、Fe3O4）和少量针铁矿。原矿的镍含量很低，其主要赋存在蛇纹石中，还有一部分赋存在铁氧化物中，呈弥散状分布。

图1 红土镍矿的XRD 图谱

1.3 试验原理与方法

试验用红土镍矿是典型的硅镁型红土镍矿，其Ni、Fe、Si、Mg、Al 等元素以复杂氧化物和硅酸盐形式存在。在常压下对红土镍矿进行酸浸[4]，其中的镍、钴、铁、镁等首先与浓硫酸进行反应，生成硫酸盐溶液，而硅则以不溶于酸的SiO2形式存在。酸浸过程发生多个反应，主要反应如式（1）至式（8）所示。其中，Me 代表金属Ni、Co、Mg、Mn。

浸出完成后，进行固液分离，二氧化硅与镍、镁、铁硫酸盐分离，经过洗涤或者苛化处理得到硅产品[5]。浸出液则继续处理，采用不同的方法分离铁、镍、镁，实现金属矿物的综合开发利用[6-7]。其工艺流程如图2 所示。

图2 基于常压酸浸的红土镍矿综合利用工艺流程

2 结果与讨论

2.1 常压酸浸

试验以硫酸为浸出剂，对红土镍矿进行常压酸浸[8]，研究浸出过程中反应温度、反应时间、固液比、硫酸浓度、搅拌速度等对金属浸出率的影响。经正交试验，确定最佳浸出工艺条件。当90 ℃温度下浸出6 h，固液比为1 ∶5，溶液的硫酸浓度为210 g/L，搅拌速度为300 r/min 时，镍浸出率为93.6%，铁浸出率为75.4%。酸浸后得到浸出液和浸出渣，其主要成分如表2、表3 所示。

表2 浸出液的主要化学成分

表3 浸出渣的主要化学成分

2.2 分离提取硅

利用高浓度NaOH 溶液对浸出渣进行碱浸处理[5]，得到Na2SiO3溶液，然后通入CO2碳化分解，可获得高纯度的SiO2产品和Na2CO3溶液。其中，碱浸处理的最佳工艺参数为：反应温度80 ℃，浸出时间60 min，固液比1 ∶5，搅拌速度500 r/min。对碱浸处理的溶液进行碳分处理，分两次进行。温度为80 ℃，CO2通气速度为20 ～30 mL/min 时，调节第一次碳分时的pH 为10.8 ～11.3，去除溶液中的杂质元素，第一次碳分完成后，调节第二次碳分时的pH为8.8 ～9.0，则可获得SiO2沉淀。碱浸处理得到的SiO2产品为非晶态SiO2，纯度可达99%。过滤后的Na2CO3溶液利用石灰乳苛化，形成NaOH 溶液并在酸浸渣处理流程中循环使用。

2.3 黄钠铁矾法除铁

红土镍矿酸浸后得到的浸出液中，铁含量高达15.59 g/L，给后续有价元素的分离提取带来困难，生产中需要先将铁离子去除后再进行其他元素的分离。试验采用黄钠铁矾法除铁，当溶液中有充足的Na+和SO42-时，适当控制温度和pH，Fe3+就会形成黄钠铁矾沉淀进入渣相[9-10]，实现除铁的目的，同时形成的黄钠铁矾可进一步煅烧加工形成Fe2O3产品，实现资源的综合利用。试验以双氧水作为氧化剂，以Na2SO4为除铁钠源，添加黄钠铁矾晶种促进沉淀形成。其发生的主要反应如式（9）和式（10）所示。

最佳工艺条件下，温度为95 ℃，溶液pH 控制在1.7 ～2.2，搅拌速度保持在400 r/min，浸出3 h 后铁离子的脱除率最高，可达98.34%。除铁后得到黄钠铁矾渣，其含铁量较高，为了回收有价金属铁，对黄钠铁矾渣进行高温煅烧，在温度720 ℃的条件下煅烧2 h，发生式（11）反应。将煅烧产物水洗后烘干，得到产物Fe2O3，含铁量为60.17%，它可作为钢铁原料或深加工为铁红等产品。煅烧生成的SO3和H2O 可用来制酸。

2.4 中和沉镍法

酸浸液经过除铁后进行过滤分离，得到的滤液需要进一步处理，以获得氢氧化镍产品。本工艺使用加碱沉淀法进行沉镍试验。其主要原理为：根据镍形成氢氧化物的溶度积要求，通过调节滤液的pH 来形成氢氧化镍沉淀[11-12]，从而达到提取镍的目的。溶液中的Ni2+在pH ≥7.5 时开始产生氢氧化镍沉淀，在pH=9 时沉淀完全，故试验控制溶液pH 在7.5 ～9.0。发生的反应如式（12）所示。

沉镍最佳工艺条件下，反应温度为60 ℃，沉淀时间为1.5 h，镍的沉淀率可达95%。沉镍后过滤分离，得到Ni(OH)2产品，镍的回收率为88.9%，其化学成分如表4 所示。

表4 氢氧化镍产品的化学成分

2.5 中和沉镁法

滤液沉镍后，滤液中的主要成分为MgSO4。根据镁形成氢氧化物的溶度积要求，利用氢氧化钠溶液控制滤液pH，当pH 为9.4 时，溶液出现氢氧化镁沉淀，当pH 为12.4 时，完全沉淀。溶液发生沉镁反应，如式（13）所示。

沉镁最佳工艺条件下，沉镁温度为70 ℃，沉镁时间为2 h，镁的沉淀率大于91%。将沉镁溶液过滤分离，得到Mg(OH)2产品，其化学成分如表5 所示，Mg 含量达63.57%，可进一步加工成氧化镁产品[6]。滤液成分主要为NaSO4，经过净化后可送回配料环节循环使用。

表5 氢氧化镁产品化学成分

3 结论

经试验，利用硫酸对低品位红土镍矿进行常压酸浸，在90 ℃温度下浸出6 h，当固液比为1 ∶5，溶液的硫酸浓度为210 g/L，搅拌速度为300 r/min 时，镍浸出率为93.6%，铁浸出率为75.4%。将浸出渣进行碱浸处理后，形成硅酸钠溶液，通过二段碳分处理得到纯度高达99%的高纯度非晶态SiO2。利用黄钠铁矾法去除浸出液中铁离子，pH 保持在1.7 ～2.2，在95 ℃反应温度下搅拌3 h，铁的去除率可达98.34%。对黄钠铁矾渣进行高温煅烧，可得到含铁60.17%的Fe2O3，能作为钢铁原料使用。通过调节pH 的方法将除铁后浸出液的镁、镍硫酸盐转化为氢氧化镁、氢氧化镍沉淀，并过滤分离制成产品。低品位红土镍矿进行常压酸浸后，该综合利用工艺可充分提取红土镍矿中的有价元素镍、铁、硅、镁并制成相应产品，经济附加值高，得到的滤液在净化后也可以循环利用，整个工艺过程实现绿色生产和资源化综合利用。