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高砷硫化铜精矿细菌浸出及砷的综合利用工艺及理论研究

谢海云  
【摘要】: 云南省的多处大中型铜矿属于高As或富As矿床,铜砷分离是选矿领域的一大难题,而现有的炼铜工艺对处理高砷硫化铜精矿,存在砷害问题,限制了高砷原料的利用。此外,使有色金属生产工艺过程中的砷无害化并加以回收利用,是当代有色冶金面临的十分现实的问题。 本论文针对云南某难处理高砷硫化铜精矿,分别采用氧化亚铁硫杆菌、中等嗜热菌S.P进行浸出工艺过程及机理研究,对细菌浸出液进行萃取除铁工艺研究,探讨了以砷酸铜形式综合利用砷的热力学及工艺参数。为高砷铜精矿的细菌浸出及解决高砷物料中As的综合利用提供一种新的处理方法和工艺,对高砷硫化铜精矿资源的开发利用具有重要意义。 本论文的创新性主要有如下几点:①系统研究了中等嗜热菌氧化Fe~(2+)的动力学,并推导出了相应的数学模型。②开发了用中等嗜热菌浸出高砷硫化铜精矿的工艺,最佳浸出条件下铜浸出率可达97.06%,砷浸出率94.13%。③绘制了Cu-As-H_2O系电位-pH图,进行了砷酸铜制备的热力学分析,为以砷酸铜形式综合利用砷提供了理论依据。④提出了以砷酸铜形式综合利用高砷硫化铜精矿中As的新思路,并开发了从细菌浸出液中综合回收Cu、As的工艺,制得了6种不同形态的砷酸铜化合物。 主要研究内容包括: (1)氧化亚铁硫杆菌的生长行为研究 研究了各种环境因素,如温度、pH值、Fe~(2+)浓度、Fe~(3+)浓度等,对T.f菌生长及氧化Fe~(2+)的影响。确定了T.f菌的生长的最佳环境条件。研究了初始Fe~(2+)浓度变化时T.f菌生长情况及对Fe~(2+)氧化为Fe~(3+)的影响,随初始Fe~(2+)浓度升高,[Fe~(3+)]/[Fe~(2+)]值、Fe~(2+)氧化率明显下降,对T,f菌的生长有抑制作用。 (2)T.f菌浸出高砷硫化铜精矿工艺过程及机理研究 研究表明,T.f菌在适宜的浸出条件下25d后铜、砷的浸出率分别为47%和50%。通过Fe~(2+)驯化培养而获得的耐高Fe~(2+)浓度T.f菌株的浸矿能力不明显,当初始Fe~(2+)浓度为0.178~0.893mol/L时,铜、砷、铁的浸出率呈下降趋势。菌液中初始Fe~(3+)为0.388mol/L时,Cu浸出率51.20%,过高浓度的Fe~(3+)抑制铜、砷的浸出。铜精矿经T.f菌浸出后,浸渣中含黄铜矿29.33%,硫砷铜矿12.22%,渣中黄铁矿25.89%,磁黄铁矿24.53%,毒砂1.04%。各矿物的浸出率依次为黄铜矿45.24%,硫砷铜矿48.19%,磁黄铁矿和毒砂浸出率分别为52.46%、54.62%,黄铁矿仅4.68%。 (3)中等嗜热菌S.P氧化Fe~(2+)的过程动力学研究 研究了各种环境因素,如元素硫、温度、pH值、Fe~(2+)浓度、Fe~(3+)浓度等,对中等嗜热菌S.P生长的影响,确定了该菌种最佳生长条件。建立了中等嗜热菌S.P氧化Fe~(2+)的动力学数学模型,表明存在最佳的温度、pH值、初始Fe~(2+)浓度和初始Fe~(3+)浓度。初始Fe~(3+)浓度的增大对细菌氧化Fe~(2+)有明显的促进作用。 (4)中等嗜热菌S.P浸出高砷硫化铜精矿工艺过程 研究表明,中等嗜热菌S.P在适宜的浸出条件下25d铜、砷的浸出率分别为82.39%和78.21%。浸出35d铜、砷浸出率在90%以上。细菌存在时,高浓度的Fe~(3+)明显促进铜精矿中铜、砷的浸出,使氧化浸出过程加速,初始Fe~(3+)为0.08~0.32mol/L时,Cu浸出率为86.34~97.06%,As浸出率89.22~94.13%。适宜条件下铜精矿经中等嗜热菌S.P浸出后,浸渣中含黄铜矿1.15%,硫砷铜矿0.5%,黄铁矿59.71%。各矿物的浸出率依次为黄铜矿96.15%,黄铁矿8.33%,磁黄铁矿和毒砂几乎全被浸出。中等嗜热菌S.P浸矿过程中生成了大量单质硫(38.60%)。 (5)浸出液萃取除铁工艺研究 研究了P204-煤油萃取体系下Fe与Cu、As的萃取分离,进行了铁萃取的条件试验,分析了影响萃取平衡的因素,研究了细菌浸出液中铁的萃取脱除工艺及理论。 细菌浸出液萃铁试验结果表明,在最佳萃取条件下,对浸出液的三级萃铁试验结果表明:一萃可以萃取脱除浸出液中77%~93%的大部分铁,Cu、As几乎未被萃取;二萃后浸出液中的残铁含量为0.007-0.164 g/L,三萃后残铁含量降为9 mg/L以下。当有机相P204含铁0.77~15.32 g/L时,用4mol/LH_2SO_4溶液五级反萃,Fe~(3+)的累积反萃率为72.93~89.20%。 (6)除铁后浸出液制备砷酸铜工艺 绘制了Cu-As-H_2O系电位-pH图,进行了高砷硫化铜矿浸出液制备砷酸铜工艺过程的热力学分析,溶液中铜、砷的质量比、pH值等因素对沉砷率及所生成砷酸铜分子式有影响。pH=4.0~8.0时,根据X射线衍射分析,所得砷酸铜的分子式为CuAs_2O_4、C_4H_6As_6Cu_4O_(16)、Cu_5As_2O_(10)·5H_2O、Cu_5As_4O_(15)·9H_2O、Cu_2AsO_4OH·3H_2O及Cu_2AsO_4OH六种,其化学式呈现多样性。沉砷后溶液中砷含量为9.11~35.82 mg/L,绝大部分砷都以砷酸铜的形式被综合利用。 本研究对高砷铜精矿细菌浸出后进行的砷综合利用工艺不产生有害烟气、不排放固体废物和废水,属于清洁工艺。


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