微波加热低品位氧化镍矿石的FeCl3氯化.pdf

第5 2 卷第1 期 20 00 年2 月 有色金属 N O N F E R R O U SM E T A L S V 0 1 ．5 2 ，N o ．1 F e b r u a r y 2000 微波加热低品位氧化镍矿石的F e C l 3 氯化 华一新，谭眷娥，谢爱军，吕宏 昆明理工大学冶金系，昆明6 5 0 0 9 3 摘要将微波加热用于低品位氧化镍矿石的氯化焙烧，产出的焙砂用稀酸浸出。结果表明，采用微波加热代替传统加 热时，可以提高镍的浸出率．减小矿石初始粒度、增加微波辐射功率可以提高镍的漫出率。适当增加反应时间和氯化剂F e e l 、 的加入量，有助于提高镍的浸出率，但当微波辐射时间超过2 0 r a i n 或F e C l ，的加入量超过2 8 ％时．镍的浸出率反而下降。在最 佳条件下，镍的浸出率可以达到7 1 ．6 5 ％。 关键词氧化镍矿石；微波加热；氯化 中图分类号T F 8 0 3 ．2 1 ；T F 8 1 5 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 0 0 1 0 0 5 9 0 3 氧化镍矿占世界镍储量的8 0 ％“3 ，是提取金 属镍及其伴生金属铜和钴的重要矿物资源，日益受 到人们的广泛重视。氧化镍矿的冶金新工艺及新技 术研究是国际上的热点研究课题n 叫3 。我国云南省 具有丰富的氧化镍矿资源，这种矿石为镁质硅酸盐 氧化镍矿，一般含镍1 ％左右，由于没有较好的冶 炼工艺，至今没有得到很好的开发与利用。因此， 研究云南省氧化镍矿的冶金新工艺和新技术对于开 发云南省的氧化镍矿资源具有重要的实际意义。本 研究利用微波加热对物质的选择性，选择性地直接 加热矿石中的含镍矿物，丽脉石成分 主要是 M g O 和S i 0 2 不被直接加热，使含镍矿物和脉石 之间产生局部的热应力，促进二者的分离，再配以 氯化剂，使镍及其它有价金属转变成氯化物，然后 采用湿法冶金的方法回收镍和其它有价金属。 1实验 1 ．1试料 本研究使用的氧化镍矿为云南省墨江难选低品 位氧化镍矿。经X 一射线衍射分析证实，矿石中 的主要矿物为蛇纹石 M 9 3 S i 2 0 ， O H 4 和褐铁矿 n F e z O 、m H 2 0 ，镍分别存在于蛇纹石和褐铁矿 中。氧化镍矿的主要化学成分见表1 。 表1氧化镍矿的化学成分 ％ T a b l elC h e m i c a lo a m p o s i t i o no fg a m i e r i t e ％ N i C o C uF e M g oS i 0 2A t O , C a O l2 3O ．0 6 5O ．0 2 11 55 l1 8 7 02 8 ．2 82 ．4 60 ．9 8 收稿日期1 9 9 9 0 1 2 8 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 9 5 7 4 0 1 9 作者简介华一新，男，4 l 岁，博士，教授，博士生导师 使用的氯化剂为化学纯的无水三氯化铁 ≥9 5 ％ F e C l 3 。 1 ．2 实验方法 将5 0 9 低品位氧化镍矿与一定数量的三氯化铁 充分混合均匀，喷入少量的水制粒，放入干燥箱在 1 0 5 ℃干燥2 h ，然后将试料装入粘土坩埚并放入微 波炉在空气气氛下进行微波辐射。微波炉的微波频 率为2 4 5 0 M H z ，最大功率为7 5 0 W 。经微波辐射一 定的时间以后。把试料从微波炉中取出，让其自然 冷却，磨细后用稀盐酸浸出。稀盐酸的初始p H 值 控制为l 。0 ，浸出过程的液固比为6 l ，浸出温度为 2 5 ℃，浸出时间为2 ．5 ～3 ．0 h ，用磁力搅拌器进行搅 拌浸出。 2实验结果与讨论 2 ．1 氧化镍矿及其主要组元的微波加热特性 如表l 所示，本研究使用的低品位氧化镍矿为 镁质硅酸盐氧化镍矿，其主要组元为m F e 2 0 ，n H ，O ， M g O ，S i O ，，A 1 2 0 ，，C a O ，有价金属N i 、C o 、C u 的 含量很低。为了了解这种矿及其主要组元的微波加 热升温特性，实验测定了氧化镍矿石及其有关物质 在微波场中的升温性能。测温时，将5 0 克粉状试 料放人石英坩埚，在微波场中加热一定的时间后， 立即将热电偶插入试样直接测定温度，用这种方法 测定的结果比实际温度稍低，但误差可以接受邸3 。 实验测定结果及文献卵1 报道的数据如表2 所示， 表中所列温度为样品的最高加热温度。 万方数据 有色金属第5 2 卷 表2氧化镍矿及有关物质在微波场中的升温性能 T a b l e2M i c r o w a v eh e a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fg a m i e r i t e a n dr e l a t e dc o m p o u n d s 由表2 可以看出，微波加热对物质有很强的选 择性，N i 、C u 、C o 的氧化物均能被微波加热，而 M g O 、S i O ，、舢。O ，、F e 2 0 ，、n F e 2 0 ，．m H 2 0 则几乎 不吸收微波。因此，当用微波加热氧化镍矿石时， 有价金属氧化物将被优先加热，脉石和其它组元将 较难加热。这不仅有利于有价金属的氯化反应，而 且还有利于降低过程的能耗。 2 ．2 矿石初始粒度对浸出率的影响 在微波功率为7 5 0 W 、微波辐射时间为2 0 m i n 、 F e a ，加入量为矿样的2 8 ％、制粒粒度为3 ～ 5 m m 、浸出液固比为6 1 、初始p H 为0 ．8 、浸出时 间为3 h 、浸出温度为2 5 ℃的条件下，矿石初始粒 度对浸出率的影响如图l 所示。可以看出，减少矿 石初始粒度，可以提高矿石中镍的浸出率。 粒度／r a m 图1矿石初始粒度对镍浸出率的影响 F i g ．1 E f f e c to fi n i t i a lp a r t i c l es i z eo fg a m i e r i t e O l ln i c k e ll e a c h i n ge f f i c i e n c y 本研究使用的氧化镍矿含有1 5 ％～2 0 ％的结 晶水。当用微波加热时，矿石中的结晶水会被脱出 而产生水蒸气。并使加入的氯化剂F e C l 3 发生高温 水解反应生成F e 2 0 ，和H C l 气体 2 F e C l ， 3 H 2 0 F e 2 0 、 6 H C I 十 1 由反应 1 产生的H C l 气体再与矿石中的金属氧 化物M e O 发生氯化反应 M e O 2 H C I M e C l ， H ，Ot 2 显然，矿石中金属氧化物的氯化反应实际上是气固 相反应。因此，减小矿石初始粒度，可以增大矿石 的有效反应面积，从而加快氯化反应的速率，提高 镍的浸出率。 2 ．3 微波功率对浸出率的影响 在矿石初始粒度为一0 ．0 7 6 r a m 、制粒粒度为 2 ～6 m m 、F e C l ，用量为2 8 ％、微波辐射时间为 1 5 r a i n 、浸出液固比为6 l 、初始p H 为1 ．0 、浸出 温度为2 5 ℃、浸出时间为2 ．5 h 的条件下，微波输 出功率对镍浸出率的影响如图2 所示。显然，增加 微波功率有助于提高镍的浸出率。 如果微波的输出功率为P ，物料对微波的吸收 系数为。c ，则物料吸收的微波功率P 曲为 只b o c P 3 设C p 为物料的热容，彬为物料的重量，丁为物料 的温度，t 为微波辐射时间，则根据能量守恒定律 有 C p W d T P ．b d t a P d t 4 积分得 r ‘～p 丁2 瓦 } 。务d ‘ 5 式中，瓦表示物料的初始温度。公式 5 表明， 增加微波的输出功率P 可以提高物料的温度。温 度的升高，一方面促进了F e a 的水解，增加了体 系中H C l 气体的浓度；另一方面又增加了氯化反 应 2 的速率常数。两方面作用的结果将使反应 2 的速率增加，进而使镍的浸出率提高。 摹 ‘～ 槲 茁 测 器 ，微波功率／W 图2微波功率对镍浸出率的影响 F i g ．2 E f f e c to f 蕊W a v ep o w e rO l ln i c k e ll e a c h i n ge f f i c i e n c y 2 ．4F e C I ，用量对浸出率的影响 在微波功率为6 5 0 W 、微波辐射时间为 1 5 r a i n 、矿石初始粒度为一0 ．2 0 m m 、制粒粒度为 2 ～5 m m 、浸出液固比为6 1 、初始p H 为1 ．0 、浸 出时间为2 ．5 h 、浸出温度为2 5 ℃的条件下，F e C l ， 加入量对镍浸出率的影响如图3 所示。可以看出， 万方数据 第1 期华一新等微波加热低品位氧化镍矿石的F e C l ，氯化 6 l 在一定的范围内增加F e C l ，加入量，可以提高镍的 浸出率；当F e C l ，加入量为2 8 ％时，镍的浸出率 达至【f 最大值；进一步增加F e C l ，加入量会使镍的浸 出率下降。 当F e a ，加入量较小时，F e a ，的固体水解产 物 F e O 。 数量不是很多，还不足以将氧化镍矿 颗粒包裹住，此时增加F e C l ，的用量可以使体系中 H C l 气体的浓度提高，有利于镍的氯化和提高镍的 浸出率；当F e C l ，的用量增加到一定的数量时，其 固体水解产物的数量必然增多，以致将氧化镍矿石 的颗粒包裹住或将矿石中的空隙堵住，阻碍了H a 气体与氧化镍矿石的有效接触，从而降低了矿石的 氯化速率和镍的浸出率。因此，F e C l ，加入量控制 在2 8 ％左右即可。 摹 ～ 槲 茁 燃 醛 F e C l 3 ／％ 图3F e C l 3 用量对镍浸出率的影响 F i g ．3 E f f e c to fF e C l 3q u a n t i t ya d d e do n n i c k e ll e a c h i n ge f f i c i e n c y 2 ．5 微波加热与传统加热氯化的比较 在矿石初始粒度为0 ．0 7 6 ～0 ．0 9 8 m m 、F e C l ， 加入量为2 8 ％、制粒粒度为3 ～6 m m 的相同条件 下，分别对物料进行微波加热氯化 微波加热功率 为6 5 0 W 和传统加热氯化 加热温度为3 5 0 ℃ 。 将两种加热条件下产出的氯化焙砂在相同的条件下 进行浸出 液固比为6 l 、初始p H 为0 ．8 、浸出温 度为2 5 ℃、浸出时间为3 h ，所得到的氯化焙烧 时间与镍浸出率的关系如图4 所示。由图可见，在 反应初期，不论是微波加热还是传统加热，镍的浸 出率均随氯化焙烧时间呈上升趋势。但焙烧时间过 长，镍的浸出率会有所下降，这可能与焙烧时间过 长会使体系中H a 气体的浓度降低有关。H C l 气 体的浓度降低会使已经生成的氯化物又发生水解， 从而使镍的浸出率降低。 摹 褂 丑 璐 舔 时间／r a i n 图4微波加热与传统加热实验结果的比较 F i g ．4 M i c r o w a v eh e a t i n gv sc o n v e n t i o n a lh e a t i n g 比较微波加热与传统加热的实验结果可以看 出，在相同的加热时间条件下，微波加热时镍的浸 出率明显高于传统加热时镍的浸出率。微波加热只 需2 0 m i n 就可时镍的浸出率达到7 1 ．6 5 ％，而传统加 热需要4 0 m i n 才能使镍的浸出率达到6 8 ．8 ％。由此 说明，微波加热不仅可以缩短反应时间，降低过程 的能耗，而且还可以提高镍的浸出率。 3结论 微波加热处理低品位氧化镍矿石是可行的。经 微波加热氯化处理后，镍的浸出率可以达到 7 1 ．6 5 ％，其技术经济指标明显优于传统加热。由于 微波可以选择性地加热氧化镍矿石中的有价金属氧 化物，并能促进镍的氯化反应，因而微波加热可以 缩短氯化焙烧的时间，降低过程的能耗和提高镍的 浸出率。微波氯化处理低品位氧化镍矿石是一种具 有应用前景的冶金新方法。 参考文献 北京有色冶金设计总院等．重有色金属冶炼设计手册 铜镍卷 ．北京冶金工业出版社，1 9 9 6 K a n u n g oS B ，M i s h r aS K ．M e t a l lM a t e rT r a m ，B ，1 9 9 7 ，2 8 B 3 7 1 K a n u n g oS B ，M i s h r aS K ．M a t a l lM a t e rT r a m ，B ，1 9 9 8 ，2 9 B 3 8 9 B a g h a l h aM ，P a p a n g e l a k i cVG ．M e t a l lM a t e rT r a m ，B ，1 9 9 8 ，2 9 B 9 4 5 U t i g a r dT ，B e r g r n a nR A ．M e t a l lT r a mB ，1 9 9 2 ，2 3 B 2 7 1 H u aY i x i n ．L i uC h u n p e n g ．T r a mN o n f e r r o u sM e tS o c ．C h i n a ，1 9 9 6 ，6 1 3 5 W a l k i e w i c zJ W ，“ K a z o n i c hG ，M o 础S L ．M i n e r a l sa n dM e t a l l u r g i c a lP r o o 瞄吨，1 9 8 8 3 9 ． S e eP ．5 8f o r t h ea b s t r a c t 万方数据 有色金属第5 2 卷 明，合适的氯化铵浓度为1 ．O m o l ／L ，硼酸浓度为 0 ．1 m o l ／L 。 3 氯化钠作用表现在作为电解质起到降低 溶液电阻、降低电解槽电压作用，同时抑制阳极钝 化，保证阳极正常溶解。再者由于“局部沙，效 应”及“离子桥效应”，促进镍阴极还原，氯化钠 的适宜浓度为1 ．0 m o l ／L 。 4 维持溶液p H 值稳定对实现电解镍粉正常 进行至关重要；温度的影响主要表现在较高的温度 可减少镍阴极还原极化，加速溶液中镍的扩散，提 高镍阴极还原极限扩散电流。 参考文献 陈进，黄伯云．材料导报，1 9 9 4 ，2 1 5 黄兴东译．有色冶炼，1 9 9 8 ，2 2 5 黄培云．粉末冶金原理．北京冶金工业出版社，1 9 8 2 ．8 1 T h a l dRM ．JA p p lE l e c t r o c h e m , 1 9 8 8 ，1 8 2 9 2 张齐勋等．中南工业大学学报，1 9 9 6 ，7 3 3 0 9 杨郁华．金川科技，1 9 8 5 ，∽8 1 查全性著．电极过程动力学导论．第二版．北京科学出版社，1 9 8 7 ．1 4 0 E U 配偶o C H E M I C A LB E H A Ⅵo Ro FN I K E LC A 田H O D ER 功U C n o N I NC H L o R Ⅱ ES o I m NU N D E RD Ⅱ愀I 烈TC o N D n l o N S G U O 踅姆i ，H U A N GK a i , L ，【，Z h i h o n o , Z H A N GD u o m o , C H E NH u i o u a n o D e p a r t m e n to yN o n f e r r o u sM e t a l l u r o y , C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y , C h a n o s h a4 1 0 0 8 3 A B S T R A C T B ym e a s u n n gp o l a r i z a t i o nC U I V I 答，t h ee k j c t z o c h e m i c a lb e h a v i o ro fc a t h o d i cr e d u c t i o no fn i c k e lf r o mc h l o - r i d es o l u t i o nw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r ．T h ee f f e c t so ft o t a ln i c k e l ，N H 4 C 1 ，N a C l ，H 3 8 0 3c o n c e n t r a t i o n si nt h e e l e c t r o l y t ea sw e l la sp Hv a l u ea n dt e m p e r a t u r eo nn i c k e lr e d u c t i o nw e r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l y ，a n dt h er e s u i t sw e r ea n a l y z e dr a t i o n a l l y ．T h er e s u t l so ft h i ss t u d yh a v em u c hs i g n i f i c a n c eo ne l e c t r o w i n n i n go fn i c k e l p o w d e r sf r o mc h l o r i d es o l u t i o n ． K E YW O R D Sn i c k e lp o w d e r ；c a t h o d i cr e d u c t i o n ；e l e c t r o c h e m i s t r y C o n tf r o mP ．6 1 M K R o W A V E - A Ⅱ疆DC H L O R Ⅱ I Z I N Go FN I C K E L 。B ] 呲I N G G A R N I E R l T EO R EW I T HF e C l 3 H U AY i x i n 。T A NC h u n “ e ．X I EA O u n ，L UH o n g f ＆硼弧o , oU n i v e r s i t yo fS c i e n c e 国畦T e c h n o l o g y , K u n m i n g6 5 0 0 9 3 A B S T R A C T 礁m i c r o w a v eh e a t i n gw a su s e dt ot h ec h l o r i d i z i n gr o a s t i n go fn i c k e l - b e a r i n gg a m i e r i t e o r eb yF e C l 3 ． T h er o a s t e dp r o d u c tw a sl e a c h e db yd i l u t ea c i ds o l u t i o n ．I tw a sd e m o n s t r a t e dt h a tt h el e a c h i n ge f f i c i e n c yo f n i c k e li n c r e a s e dw h e nm i c r o w a v eh e a t i n gw a su s e di n s t e a do fc o n v e n t i o n a lh e a t i n g ．Ad e c r e a s ei nt h ei n i t i a lp a r t i - c l es i z eo ft h eo r e o ra ni n c r e a s ei nt h em i c r o w a v ep o w e ra p p l i e dc o u l dr e s u l ti nt h ei n c r e a s eo fn i c k e l l e a c h i n ge f f i c i e n c y ．Am o d e r a t ei n c r e a s eo fm i c r o w a v ei r r a d i a t i o nt i m ea n dF e C l 3q u a n t i t ya d d e di ns a m p l e c o u l de n h a n c et h el e a c h i n ge f f i c i e n c yo fn i c k e l ，b u ti tw o u l db el o w e r e dw h e nm i c r o w a v ei r r a d i a t i o nt i m ew a s b e y o n d2 0r a i nO rF e C l 3e x c e e d e d2 8 ％．U n d e ro p t i m u mc o n d i t i o n s ，t h el e a c h i n ge f f i c i e n c yo fn i c k e lw a su p t o7 1 ．6 5 ％． ’ K E YW O R D Sn i c k e l - b e a r i n gg a m i e r i t eo r e ；m i c r o w a v eh e a t i n g ；c h l o r i d i z i n g 万方数据