云南元江高镁红土矿矿物组成及浸出热力学分析.pdf

第6 0 卷第3 期 2 0 08 年8 月 有色金属 N o n f e I T O U SM e t a h V 0 1 ．6 0 ，N o ．3 A u g u s t20 08 云南元江高镁红土矿矿物组成及浸出热力学分析 杨永强，王成彦，汤集刚，尹飞，陈永强 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘 要采用显微镜观察、X 射线衍射分析和扫描电镜能谱分析等手段研究元豇镍矿的矿物组成，并对矿石中有价金属的浸 出反应进行热力学分析。结果表明，元江镍矿是蛇纹岩风化形成的硅酸镍矿，主要矿物组成为含镍蛇纹石、针铁矿、石英、磁铁矿 以及少量的辉石、滑石和赤铁矿等．各矿物问关系密切，元江镍矿的浸出过程比较复杂，矿石中主要矿物的浸出反应很容易进行， 并且有价金属漫出比较完全。 关键词冶金技术；高镁红土矿；矿物组成；漫出热力学 中图分类号T F S l 5 T F S 0 3 ．2 1 T F S 0 1 ．1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 3 0 0 8 4 0 4 发现于1 9 5 7 年的云南元江镍矿，是我国的第二 大镍矿。地质勘探资料表明，品位0 ．8 ％以上的镍 金属储量约为4 3 万t ，其中品位1 ％以上的镍金属 储量约2 2 万t [ 1 ] 。多年来，国内对该矿的开发利用 进行过大量的试验研究。但终因经济或技术原因，一 直未找到合理的工艺。致使这一地区丰富的镍资源 沉睡地下成为“呆矿”[ 2 - 4J 。 采用显微镜观察、X 射线衍射分析和扫描电镜 能谱分析等手段对元江镍矿矿样进行了工艺矿物学 研究，并对矿石中有价金属的浸出反应进行了热力 学分析，论证了浸出反应的可行性。为制定合理高 效提取工艺方案提供理论依据。 1工艺矿物学研究 I ．I 矿石的化学组成和矿物组成 元江镍矿是一个结合型氧化矿。镜下观察表 明，该矿床的矿化经过了母岩蛇纹石化和褐铁矿化 两个过程，使镍在硅酸盐矿物及褐铁矿中富集成矿。 元江镍矿综合样的能谱分析结果见图1 。 分析结果表明，原矿的化学组成相对简单，主要 含有硅、镁和铁等元素，另含有少量的镍和铝。各元 素及化合物的具体含量见表1 。从表1 可以看出，元 江镍矿含硅、镁高，含铁少，是典型的镁质硅酸镍矿。 收稿日期2 0 0 8 0 4 1 6 基金项目国家自I } ；科学基金资助项目 5 0 6 7 4 0 1 4 ；国家高技术发 展研究计划项目 2 0 0 6 A A 0 6 2 1 3 1 ；国家9 7 3 计划项目 2 0 0 7 C B 5 1 3 5 0 5 作者简介杨永强 1 9 8 2 一 。男，山东泰安市人．硕士生．主要从事 有色金属湿法冶金等方面的研究。 0 2468 F u l IS c a l e1 7 4 1c bC u r s o r ．0 ．I 蛾l 1 6 7 1c 啦 k e V 图1 元江镍矿综合样x - 光能谱图 F i g ．1X r a ys p e c t r o s c o p yo fY u a n j i a n gl a t e r i t e 表1 元江镍矿化学成分 T a b l e1C h e m i e a Ic o m p o s i t i o no fY u a n i i a n gI a t e r i t em i n e r a l s 元素N i C o C uC r 2 0 3S i o zA 1 2 0 j 含量／％0 ．9 50 ．0 2 10 ．0 1 89 ．9 90 ．8 93 8 ．6 02 ．5 9 元素 C a O M 9 0K 2 0N a 2 0T i 0 2M n 0 2烧损 含量／％0 ，0 5 62 9 ．3 00 ．0 10 ．0 40 ．0 3 20 ，1 2 1 1 ．5 0 1 ．2 主要矿物嵌布特征和含镍情况 图2 是元江镍矿综合样的X 射线衍射分析谱。 元江镍矿主要由蛇纹石、针铁矿、磁铁矿、石英和透 闪石等矿物组成。显微镜观察进一步证实，蛇纹石 是构成元江镍矿矿石的最基础的矿物，其他矿物可 视为浸染或充填于其裂隙中。各矿物的相对含量见 表2 。 表2 元江镍矿中主要矿物的含量 T a b l e2M i n e r a lc o m p o s i t i o no fY u a n j i a n gh t e r i t e - 其他矿物包括透闪石、辉石、滑石、高岭石、铬尖晶石和赤铁矿。 万方数据 第3 期 杨永强等云南元江高镁红土矿矿物组成及浸出热力学分析8 5 1 蛇纹石。在矿石中其占有量在7 0 ％左右， 主要含有M g 和s i ，不定量的F e 、～及少量N i 。通 过图3 的能谱分析可以看到其含N i 量与风化程度 有关，即蛇纹石在风化较浅时，基本上由M g ，S i 组 成而F e 不富集，N i 较低。风化程度提高时，由于在 风化带不稳定的部分物质如S i ，C a ，M g ，N i 等将被 溶出并渗滤到下部，于适当化学环境下沉淀在蛇纹 岩裂隙中，部分M g ，S i ，N i 结合形成镍蛇纹石或含 N i 蛇纹石。由于它是矿石中的最主要矿物，故N i 的绝大部分分配在该相中。图2 元江镍矿综合样X 射线衍射谱 a 一风化浅的蛇纹岩能谱 M g 高，F e 和N i 低 ； b 一风化深的蛇纹岩能谱 M g 降低，F e 和N I 提高 图3 风化程度不同的蛇纹石能谱 F i g ．3S p e c t r o s c o p i e ao ft w od i f f e r e n tw e a t h e r e ds e r p e n t i n e 0246 8 F u l lS c a l eq C x 2c t sC u r s o r ．“ - 0 ．1 1 7 5 5c t s k e V 图4 元江镍矿中针铁矿能谱 F i g ．4X r a ys p e c t r o s c o p yo fg o e t h i t ei nl a t e r i t e 2 针铁矿。在元江镍矿矿石中，针铁矿是仅次 于蛇纹石的主要矿物。针铁矿的形成与风化作用有 关。在蛇纹石风化基础上形成的针铁矿本身总是含 有s i ，A 1 ，M g 等杂质，又被称为褐铁矿。它或呈细脉 状充填于裂隙中，或在蛇纹石中高度分散状浸染。从 图4 的能谱图可以看出，针铁矿中也含有不定量的N i 和存在着显著量的S i ，M g ，A 1 等杂质。少量的N i 和 o fY u a n j i a n gl a t e r i t e 硅酸盐残留物一同包裹在针铁矿中，如果要尽可能完 全浸出矿石中的N i ，就必须考虑同时分解针铁矿。 3 磁铁矿。磁铁矿在矿石中主要呈两种形式嵌 布。一是作为蛇纹石化过程中的析出产物于原橄榄 石粒间呈细脉或尘点状分布，二是呈中、粗粒状嵌布 于蛇纹石中。磁铁矿可含少量N i ，其能谱如图5 所 示。 024“8 F u l lS c a l e ‘坍qc t sC u r s o r ．I I ．f B 5 储8c t s I m V 图5 元江镍矿中磁铁矿能谱 F i g ．5 X r a ys p e c t r o s c o p yo fl o a d s t o n ei ni a t e r i t e 万方数据 有色金属 第6 0 卷 4 石英。石英是蛇纹岩风化产物。不含N i ，粒度 一般较小，系风化形成的硅质在裂隙中结晶形成的。 5 其他矿物。见有少量赤铁矿呈细脉状或粒 状，不含明显数量的N i 。见有极少量的硅酸盐矿物 辉石、透闪石、滑石和高岭石 存在，基本不含N i 。 有约1 ．5 ％的铬尖晶石，不含M 。这些矿物对N i 的 提取冶金不会产生影响。 2浸出过程的热力学分析 从热力学观点来看，元江高镁镍矿的浸出过程 比较复杂。咽为矿物中不仅含有硅酸盐矿如蛇纹 石、透闪石以及少量的滑石、顽火辉石、高岭石等，还 有氧化矿如针铁矿、磁铁矿、赤铁矿等，并且与之反 应的非常规介质溶液是一种强电解质溶液，从而形 成了一个复杂的多相体系。只有当矿石中主要矿物 完全溶解后，包裹和填充在其中的镍才会暴露在介 质中，才能被提取出来。 为了便于分析研究，先从简单的情况人手。假 设矿石中只含有蛇纹石 M g j [ S i 2 0 s ] O H 4 、针铁 矿 F e O O H 以及少量的硅酸镍 N i 2 S i 0 4 三种矿 物，可以借助于M 9 3 [ S i 2 0 5 ] O H 4 ，F e O O H 和 N i 2 S i 0 4 的热力学数据进行相关反应的计算。在这 种前提下所做的热力学运算及分析，作为定性的分 析和定量的估算，对探讨高镁镍矿浸出过程来说还 是有一定的参考价值。 2 ．1 浸出反应 蛇纹石、针铁矿和硅酸镍在非常规介质中的浸 出反应如式 1 ～式 3 所示。 M 9 3 [ S i 2 0 5 ] O H 4 s 6 H a q 3 M g a a q 2 S 1 0 2 s 5 H 2 0 1 1 F f o O H s 3 H a q F d a q 2 H 2 0 1 2 N i 2 S i 0 4 s 4 H a q 2 N i 2 a q 2 S i 0 2 S 2 H 2 0 I 3 2 ．2 计算与分析 ．根据热力学判据，只要△G 牛 0 ，即Q 丁 K 牛。 反应就能够正向自发进行直至平衡 Q 丁 i o 。对 于反应 1 有K 譬 [ c M 口 ／c o 3 ／ c H ／c o 6 ] q ； Q 丁 [ C 凇 ／C o 3 ／ C H ／C o 6 ] ；对于反应 2 有 K o [ C F , a ／C o ／ C H ／C o 3 ] 。；Q 1 ． [ C F a ／C o ／ C H ／C o 3 ] ；对于反应 3 有K } [ C N i 2 ／C o 2 ／ C H ／C o 4 ] e a ；Q 1 [ C 抛 ／ C o 2 ／ C H ／C o 4 ] 。 利用热力学数据1 5 6 ] 进行计算，结果列在表3 至表5 中。由计算结果可以看出，此三种矿物的溶 解浸出反应的, a c o 远小于0 ，由此计算的K 斗都很 大，说明浸出反应进行的很完全。i o 随着温度的 升高而减小，说明浸出反应属于放热反应。 表3 蛇纹石浸出反应热力学计算 T a b l e3T h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o nf o rl e a c h i n gr e a c t i o no fs e r p e n t i n e 温度儇弋而矿丽警业嚣面百△G ／ k J - “- 1 虹辟c 酬p H - 1 从文献中只查到3 2 3 ．1 5 K 耐针铁矿的标准摩尔生成{ 宕，由于不同温度下面体物质的标准摩尔生成始相差不是太大．故不同温度下针铁 矿的标准摩尔生成焓皆由3 2 3 ．1 5 K 时的代替。 万方数据 第3 期杨永强等云南元江高镁红土矿矿物组成及浸出热力学分析8 7 试验过程中，溶液的终点p H 始终保持在1 ．0 左右，由此可假设反应结束后浸出体系中H 的浓 度为1x1 0 1t o o l L ’1 p H 1 ．0 ，欲使Q 4 2 3 K 2 2 3 ，溶液中的c M g ”，c F e ”，c N i 2 必须分别等于 2 ．8 0X1 0 6 ，2 ．5 7X1 0 4 ，1 ．2 0 1 0 3 t o o l - L 一1 T 4 2 3 ．1 5 K ，见表3 至表5 。然而即使是红土矿中的 M g 、F e 和N i 全部浸出，体系中的M g 、F e 3 和 N i 2 也不可能达到如此高的浓度。这说明，从理论 参考文献 上讲，矿石中主要矿物的浸出反应是很容易进行的， 并且浸出比较完全。 3结论 对元江镍矿进行工艺矿物学研究和热力学计算 分析表明，红土矿中的主要矿物均能很容易地浸溶， 并且浸出比较完全，赋存在不同矿物中的镍均能够 提取出来。 [ 1 ] 王成彦．元江贫氧化镍矿处理工艺小型试验研究[ K ] ．北京北京矿冶研究总院，1 9 9 6 1 3 0 ． [ 2 ] 王成彦．元江贫氧化镍矿氯化离析焙砂的氨浸[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 1 ， 2 1 2 1 4 ． [ 3 ] 王成彦，江培海．云南中低品位氧化锌矿及元江镍矿的合理开发利用[ J ] ．中国工程科学，2 0 0 5 ，7 s 1 1 4 7 1 5 0 ． [ 4 ] 段希祥．元江镍矿的开发方案探讨[ J ] ．中国矿业，1 9 9 9 ，8 6 2 6 2 9 ． [ 5 ] 杨显万．高温水溶液热力学数据计算手册[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 3 2 4 9 5 6 0 ． [ 6 ] 林传仙，白正华，张哲儒．矿物及有关化合物热力学数据手册[ M ] ．北京科学出版社，1 9 8 5 1 6 1 0 0 ． M i n e r a l o g ya n dL e a c h i n gT h e r m o d y n a m i c so fM g - r i c hL a t e r i t e f r o mY u a n j i a n gi nY u n n a no fC h i n a Y A N GY o n g - q i a n g ，W A N GC h e n g - y a n ，T A N GJ i g a n g ，Y I NF e i ，C H E NY o n g - q i a n g B e z j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo ，M i n i n g M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h em i n e r a lc o m p o s i t i o no ft h eM g r i c hl a t e r i t ef r o mt h eY u a n j i a n gr e g i o n ，Y u n n a no fC h i n a 。i s i n v e s t i g a t e db ym e a n so fm i c r o s c o p i ce x a m i n a t i o n ，X r a yd i f f r a c t i o n X R D a n dS c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e S E M s t u d y ．A n dt h et h e r m o d y n a m i c so fl e a c h i n gp r o c e s si sa n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a j o r m i n e r a l si nt h el a t e r i t ea r es e r p e n t i n e ，g o e t h i t e ，q u a r t z ，m a g n e t i t ea n dl e s so fe n s t a t i t e ，t a l c u m ，k a o l i n i t e ， h e m a t i t ea n ds oo n ．T h e s em i n e r a l sa r ec l o s e l yr e l a t e d ．T h e1 e a c h i n gr e a c t i o n so ft h el a t e r i t ew o u l db e t h e r m o d y n a m i c a l l ye a s ya n dc o m p l e t e d 。e v e nt h o u g ht h e1 c a c h i n gp r o c e s so ft h el a t e r i t ei sc o m p l i c a t e d ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；M g - r i c hl a t e r i t e ；m i n e r a lc o m p o s i t i o n ；l e a c h i n gt h e r m o d y n a m i c s 万方数据