首先,辉铜矿浸出
在氯离子存在下,辉铜矿的氧浸出也可分为两个阶段。第一阶段,随着Cu+向颗粒表面的扩散,经历了几个中间硫化铜,可称为缺铜辉铜矿,最后转变为铜蓝CuS。在这个阶段,没有生成元素硫。由于Cl-的存在,产生氯离子如CuCl+和CuCl2。
第二阶段,CuS被氧化生成铜离子和单质硫,在颗粒表面形成硫层,内层是未反应的矿物。虽然和第一阶段同时进行,但是慢了很多。扫描电镜照片显示,有氯离子存在时,生成的单质硫是颗粒比较大的结晶硫,晶体之间有孔隙,允许溶液通过,反应块比较小。只有当硫层积累到一定厚度时,反应才会受阻。此时用有机溶剂溶解硫层可以提高反应速度,如图1所示。而在纯硫酸盐溶液中,会产生无定形或隐晶质的硫,这种硫比较致密,溶液很难通过,导致反应受到很大阻碍。这可能是氯化物存在时“钝化”不明显的原因。产生的铜的氯离子的影响只是第二个因素。
图1反应中形成的硫层对辉铜矿浸出率的影响
浸出液:0.5mol/LH2SO4,0.5mol/L NaCl矿石,平均粒度42μm,温度85℃。
二、铜蓝浸出
铜浸出实际上是辉铜矿浸出的第二阶段,其浸出率与氧分压、温度和氯离子浓度的相关性非常相似。当铜蓝CuS被氧化生成元素硫和铜离子时,反应过程消耗酸:
CuS+0.5O2+2H++C1-=CuCl++H2O+S
因此,初始浸出液需要含有一定的酸度。
第三,黄铜矿
氯化物溶液浸出黄铜矿不会出现硫酸盐溶液的钝化现象。即使在硫的熔点以下浸出具有较大颗粒尺寸的矿物粉末,也可以获得高浸出率。这是氯化物溶液的一大优点。
虽然在100℃左右,无论是在氯化物还是硫酸盐中,黄铜矿的氧化浸出产物都是元素硫,同时还产生了铜离子和亚铁离子。当然,亚铜离子的氯离子也可能在氯化物中产生。在0.1mol/LFeC13和0.3 mol/LHCI溶液中,黄铜矿转盘电极电化学溶解试验发现,黄铜矿的溶解速率(mg/cm2)与时间几乎呈线性关系。1-(1-α) 1/3与反应时间是一条直线,即符合缩核模型的化学反应控制机理,其中α为反应分数。如前所述,在0.05mol/L Fe2(SO4)3和0.3mol/L H2SO4中的浸出速率随时间呈抛物线变化,这可能是由于形成了元素硫的致密膜,膜内扩散是反应速率的限制步骤。也就是说,硫层阻碍了反应。它反映了两种溶液反应机理的不同。
(A)反应活化能
氯化物浸出反应的活化能为41.9 kJ/mol,δH = 47.2 kJ/mol。在硫酸盐溶液中的活化能为74.9 kJ/mol,δh = 36kj/mol。
(B)铁和亚铁离子的影响
铁离子是氧化剂,提高铁离子浓度会提高浸出率,这与用氧气作氧化剂时提高氧分压的效果是一致的。当三价铁离子和氧气同时存在时,三价铁离子直接与矿石反应,二价铁离子被溶液中的氧气氧化再生。反应速率仍然与氧分压线性相关,实际消耗的氧化剂仍然是氧。
(三)酸度的影响
由于铁离子的存在,必须保持一定的酸度,否则铁离子会水解。最低酸度随温度而变化。温度越高,需要的酸度越高。45℃浸出时,反应速度极慢,酸度对反应速度影响不大。但在85℃时,效果明显。
(4)铜离子的影响
铜离子也能氧化氯化物溶液中的黄铜矿。
cufe S2+3 CuCl 2 = = = = 4 CuCl+FeCl 2+2SO
显然,提高初始浸出液中铜离子的浓度有利于黄铜矿的浸出,如图2所示。
图2氯化铜浓度对黄铜矿浸出的影响
浸出条件:0.1mol/L三氯化铁和0.3mol/L盐酸,85℃,加氯化铜。
(5)氯离子浓度的影响
当浸出液中氯离子浓度低于1mol/L时,浸出率随其浓度的增加而显著增加。之后逐渐下降,2mo1/L后效果非常平缓..有时在浸出液中加入大量氯化物,主要是为了保证氯化亚铜离子与阴离子的稳定性,或者增加铅、银等的溶解度。或者提高溶液的沸点,而不是提高浸出速度。
(六)氯化物-硫酸盐混合系统
在0.1 mol/LFeC13和0.3mol/LHCI溶液中加入硫酸镁,观察硫酸盐对黄铜矿浸出率的影响。如图3所示,随着硫酸镁浓度的增加,浸出率逐渐降低,出现复杂的曲线形状。当硫酸镁浓度增加到1 ~ 2mo1/L时,浸出速度与时间的关系与硫酸盐中的浸出非常相似。
图3硫酸盐对氯化铁浸出黄铜矿的影响
浸出条件为:0.1mol/L FeCl3和0.3mol/L HCl,85℃,数字为加入硫酸镁的浓度,单位为mol/L
(7)浸出过程的电化学
用氯化铁浸出黄铜矿的过程通过图4所示的电池反应来说明。氯化铁的还原发生在阴极区,而黄铜矿在阳极区被氧化。
图4氯化铁浸出黄铜矿的电池反应图
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