生物堆浸-萃取-电积生产阴极铜的工艺设计*(2)

管道布液：喷淋液主要为中间液和萃余液，主要通过主泵站经主管道将喷淋溶液输送至矿堆单元。萃余液成分Cu2+≤0.5 g/L，pH（1.0～1.4）；中间液成分 Cu2+≤（1.0～3.5）g/L，pH（1.5～2.0）。堆面布液管网有滴淋和喷淋两种，布液强度：滴淋 ～6 L/（m2·h）；喷淋～10 L/（m2·h）。布液工作制度为休闲和连续交替进行。每层单元堆浸周期400 d，浸出率≥70%。堆浸场最终产品为合格液，成分Cu2+4.0 g/L，pH（1.5～2.5），TFe 20 g/L，TSS≤30 mg/L。

堆浸场的生产工艺流程图如图5所示。

水平衡管理系统：喷淋布液过程和各类溶液池、沟的水份均会蒸发损失，经测定，滴淋蒸发率为4%，喷淋蒸发率为7%，静态日均蒸发量为5.14 mm；L矿所在地年蒸发量约2 000 mm，降雨量约750 mm且集中在雨季，因此整体缺水，项目通过修建暴雨池、雨水调节池收集雨季降雨，并辅以地表水径流泵站和管道等方式在旱季对系统进行补水，实现生产系统水量的动态平衡。

图5 堆浸场生产工艺流程图Fig.5 The production process flow chart of dump leaching field

2.2 萃取工艺

2.2.1 萃取原理

萃取过程包含萃取和反萃两个步骤[14]，利用选择性高效铜萃取剂在含铜、铁及其他金属离子的低浓度合格液中选择性地将铜离子萃入有机相，然后通过反萃取使低浓度铜溶液富集（富铜液）后送至电积车间进行电积产铜，萃取进料为堆场合格液，排料为萃余液。

萃取过程的基本反应过程如下所示：

式中RH代表萃取剂，R2Cu代表萃取剂与铜离子形成的络合物。

堆场合格液进入萃取车间，反应向右进行，铜离子进入有机相，成为负载有机相；再用电积产生的电贫液作为反萃剂进行反萃，反应向左进行，得到富铜液，有机相返回萃取。

2.2.2 萃取设计

萃取和反萃过程对pH值敏感[14]，萃取工段的关键在于铜萃取剂的选型，好的萃取剂应该对铜有良好的选择性，铜铁分离系数大（500～2 500），净铜传送率高，萃取和反萃速度快、分离分相快速清晰；不易降解，价格便宜，易于采购等特点。另外，稀释剂是溶解萃取剂从而形成有机相的惰性溶剂，起到降低有机相粘度、改善萃取剂的分散性，同时也影响到萃取剂最大传递量、金属离子的选择性和分相效果等。同时，溶液和萃取剂的特性决定了萃取工段的具体流程选择，特别是萃取级数和相比。

目前业内广泛使用的铜萃取剂主要是Lix984，Lix984N，Lix622，M5640等[14]。本项目根据合格液特性，选择M5640和Lix984N作萃取剂，浓度15% vol，260号溶剂油作稀释剂，浓度85% vol。

萃取采用串并联2级萃取1级反萃工艺，以及1级洗涤，用于控制铁的含量。萃取时间3 min，澄清速率 4 m3/（m2·h），萃取段相比 O/A=1，洗涤段相比 O/A=4，反萃段相比 O/A=2.3～3.0，萃取温度（15～45）℃。合格液在混合室与有机相充分搅拌混合，经串并2级逆流萃取后，萃余液铜浓度≤0.3 g/L，经除油后送堆场进行上堆浸出；负载有机相经洗涤槽洗涤澄清并于水相分离后，采用含铜40 g/L，H2SO4180 g/L的电贫液进行反萃，再经过除油、澄清，得到富铜液Cu 50 g/L，Fe＜5 g/L，H2SO4165 g/L，Org＜5 mg/L，送至电积车间，萃取工段铜回收率98%。萃取-反萃过程的流程示意图如图6所示。

图6 萃取工段工艺流程图Fig.6 The process flow chart of extraction workshop section

2.3 电积工艺

2.3.1 电积原理

电积系电化学反应过程[14]，在溶液中放置阴、阳极板，通过直流电流作用，溶液中的铜离子经过电积过程生成金属铜[13]，总反应如下所示：

阴极过程：阴极过程是铜离子在阴极板沉积为金属铜的过程，反应式为：

在65℃时，该反应的标准电极电位为0.34 V。该反应的Nernst方程为：

式中，E为平衡电极电位；aCu2+为铜离子的活度。

相对于标准氢电极（SHE），在65℃，溶液中Cu 40 g/L，H2SO4160 g/L时，平衡电位为0.25 V。

阴极最大极限电流密度取决于边界层的扩散：

式中z为电荷转移数，F为法拉第常数，D为扩散系数，CB为溶液浓度，δN为边界层厚度。

当溶液Cu 40 g/L，标准状态δN为0.03 cm时，极限电流密度为450 A/m2。

多数电积厂的生产电流密度均小于极限电流密度，当电流密度过大时，会使阴极铜变得不规则，多孔。

阳极过程：电积过程阳极反应的基本过程为水的分解：

在65℃，该反应的标准电极电位为1.2 V，假设氧的析出在1 atm下，该反应的Nernst方程为：E= pH，平衡电位约为1.16 V，整个铜电积反应过程的理论槽电压为Ecell=0.91 V，而在实际生产过程中约为该值的两倍，即2.0 V左右，见表2所示。这主要是由于体系的不可逆性。在阳极反应过程中，氧的析出反应的不可逆性，需要较高的超电压，在硫酸电积液体系下，作为工业生产中普遍采用的铅阳极，氧的过电位约1 V，为最高过电位金属之一。阳极作为正极完成电流回路，故阳极材料首选应该具有良好的导电性能和耐腐蚀性[15]。

文章来源：《湿法冶金》 网址: http://www.sfyjzz.cn/qikandaodu/2021/0107/382.html