氨浸-加壓氫還原法回收電鍍污泥中的銅和鎳

【簡介】

氨浸-加壓氫還原法回收電鍍污泥中的銅和鎳

程潔紅，陳嫻，孔峰，周全法

（江蘇技術(shù)師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院江蘇省貴金屬深加工技術(shù)及其應(yīng)用重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213001）

摘要：研究采用氨浸-加壓氫還原法對電鍍污泥中的銅和鎳進(jìn)行了分離回收，分析了氨浸和氫還原過程中各因素的影響。結(jié)果表明，采用NH3-（NH）42SO4氨浸體系，在溫度25℃，時間60min，NH3濃度6.5mol/L，液固比3的條件下，Ni、Cu、Zn的浸出率分別達(dá)到80.25%、77.42%、91.07%；當(dāng)浸出液pH5.4~5.6，溫度160℃，時間60min，攪拌轉(zhuǎn)速500r/min，氫分壓2MPa時，氫還原銅和鎳的回收率分別達(dá)到71%和64%。

關(guān)鍵詞：電鍍污泥；氨浸；氫還原；銅；鎳

中圖分類號：X705文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.3969/j.issn.1003-6504.2010.6E.037文章編號：1003-6504(2010)6E-0135-04

產(chǎn)生于電鍍廢水處理過程中的電鍍污泥，含有大量的Cu、Ni、Zn、Cr、Fe等金屬成分（見表1）。因此，電鍍污泥一方面屬于危險廢物，對環(huán)境和人體健康危害嚴(yán)重，另一方面又是寶貴的金屬資源。研究經(jīng)濟(jì)、高效的有價金屬回收方法，不僅有利于環(huán)境保護(hù)而且也具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。濕法工藝一般由浸出—浸出液凈化和富集—提取金屬或化合物等工序組成。常溫常壓下的氨浸法具有較高的選擇性，可以實(shí)現(xiàn)電鍍污泥中金屬的初步分離，從而為銅鎳等進(jìn)一步分離和純化提供基礎(chǔ)。浸出液中金屬的提取常用萃取、化學(xué)沉淀等方法，但所獲得的產(chǎn)品為金屬鹽，價值不高。氫還原分離法直接用還原性氣體從溶液中沉淀金屬，選擇性的獲得單質(zhì)金屬產(chǎn)品，流程簡單，設(shè)備固定投資少，操作方便，產(chǎn)品質(zhì)量好，產(chǎn)值較高，通過改變生產(chǎn)條件，可以分離和生產(chǎn)不同純度、不同粒度的銅、鎳產(chǎn)品，在提取冶金中是一種常用的有效方法。目前該方法已擴(kuò)展到電鍍污泥領(lǐng)域，但相關(guān)研究報道還較少。本文采用氨浸—加壓氫還原法從電鍍污泥中分離并制取金屬銅粉和鎳粉，實(shí)現(xiàn)電鍍污泥的資源化利用，具有積極意義。

1·試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)用電鍍污泥

實(shí)驗(yàn)所用原料取自常州市某電鍍廠處理電鍍廢水后污泥，并已脫水風(fēng)干，顏色為黃褐色，含水率0.76%，其中的金屬成分和含量見表2。氫還原分離探索實(shí)驗(yàn)所用原料，是依據(jù)實(shí)際原料中的金屬含量自制的含銅、鎳、鋅氫氧化物的電鍍污泥。

1.2試驗(yàn)方法

預(yù)處理：將電鍍污泥過篩除去毛發(fā)、石子等雜質(zhì)，再放入烘箱內(nèi)在102℃烘干，過100目篩備用。氨浸：取一定量的電鍍污泥，按照試驗(yàn)設(shè)計的液固比加入浸出劑，在水浴恒溫振蕩器中進(jìn)行浸出后，漿料過濾得浸出液，氨水通過蒸氨再利用。在浸出工序中，采用NH3-（NH4）2SO4體系，反應(yīng)式如下：

由反應(yīng)式確定n[NH3]∶n[（NH）42SO4]=4∶1。氫還原：自制和實(shí)際電鍍污泥氨浸后，調(diào)節(jié)浸出液pH至5.4～5.6，并加入PAA0.2g/L、PdCl20.8g/L，將浸出液加入到高壓反應(yīng)釜中，在設(shè)定的反應(yīng)溫度、氫壓力和攪拌轉(zhuǎn)速下反應(yīng)。

分析：金屬組分采用離子體發(fā)射光譜儀ICP-AES做定量分析，根據(jù)物料平衡關(guān)系，計算金屬浸出率和回收率。

1.3試驗(yàn)裝置

在兩立升不銹鋼高壓反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行，采用磁力機(jī)械攪拌裝置，將料液裝入釜內(nèi)密封后先用氮?dú)庵脫Q釜內(nèi)空氣，在氮?dú)夥障律揭?guī)定溫度，然后用氫氣置換氮?dú)鈨纱危诔錃錃庵了鑹毫﹂_始反應(yīng)，經(jīng)過一定時間反應(yīng)中取液體樣，待反應(yīng)完成后，開釜取固體樣和液體樣進(jìn)行測試。

2·結(jié)果與討論

2.1氨浸出試驗(yàn)

根據(jù)電鍍污泥成分分析，其中鎳含量最高，因此以鎳作為優(yōu)先回收目標(biāo)，采用NH3-（NH4）2SO4體系進(jìn)行浸出，根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果確定反應(yīng)溫度為室溫（25℃），NH3濃度為6.5mol/L，探討液固比和反應(yīng)時間對鎳浸出效果的影響，以及在鎳的最佳浸出條件下其他金屬的浸出情況，以反映氨浸的選擇性效果。

2.1.1電鍍污泥中鎳的氨浸出結(jié)果

（1）反應(yīng)時間對鎳浸出效果的影響。鎳的浸出率隨時間的變化曲線如圖1所示。由圖可知，在0～60min，隨著時間的增加，鎳的浸出率迅速上升，60min時浸出效果最好，浸出率達(dá)到79.3%，之后鎳浸出率隨時間的變化趨勢平緩。由此表明，在60min時浸出過程已基本完成。

（2）液固比對鎳浸出效果的影響。鎳的浸出率隨液固比的變化曲線見圖2。由圖可知：鎳的浸出率隨液固比的增大而增大，當(dāng)液固比為3時浸出率最高，達(dá)到80.25%，再增加液固比對鎳浸出率的提高影響很小。這是由于液固比的增加導(dǎo)致浸出體系黏度減小，從而增大了接觸面積，改善了擴(kuò)散條件。

2.1.2在鎳最佳浸出條件下其他金屬的氨浸出結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳工藝條件：反應(yīng)溫度25℃，反應(yīng)時間60min，NH3濃度6.5mol/L，液固比3。在此條件下，電鍍污泥中其他金屬的浸出率如表3所示。

分析可知，NH3-（NH4）2SO4體系的浸出工藝對銅、鎳、鋅的浸出效果好，而鐵，鈣，鉻留在殘雜中，幾乎不發(fā)生氨浸反應(yīng)。因此可以有效地將銅、鎳、鋅金屬與其他金屬分離，對后續(xù)的金屬回收有利。

2.2氫還原試驗(yàn)

2.2.1氫還原動力學(xué)因素的選擇

自制電鍍污泥經(jīng)氨浸后，經(jīng)氫還原制取銅和鎳，而采用氫還原的方法無法沉積金屬鋅，從而實(shí)現(xiàn)銅鎳與鋅的分離。氫還原過程的影響因素很多，這里主要探討反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、氫分壓、攪拌速度和溶液初始pH值。根據(jù)文獻(xiàn)[5]結(jié)果表明：溶液的初始pH值控制在6.0以下時，銅離子被優(yōu)先還原，鎳離子的氫還原反應(yīng)被抑制，銅鎳分離結(jié)果比較理想。前期試驗(yàn)也驗(yàn)證了在偏酸性條件下，銅鎳回收率較高。因此本實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)反應(yīng)前溶液pH值至5.4～5.6。

（1）氫分壓的影響見圖3。根據(jù)反應(yīng)釜體的承受溫度能力，選擇反應(yīng)溫度160℃。

（2）攪拌轉(zhuǎn)速的影響結(jié)果見圖4。

結(jié)果表明：在相同反應(yīng)條件下，銅、鎳回收率均隨著時間的延長而增加，在60min時銅還原反應(yīng)基本完成，而鎳的反應(yīng)速率則在90min后開始降低。由此可見，銅比鎳更容易被氫還原；當(dāng)氫壓力從2MPa上升到3MPa時，銅鎳的回收率均有所增加，但增加幅度較小。這是因?yàn)樵谄渌嗤瑮l件下，隨著氫分壓的增加，氫氣的溶解度增大，有利于氫氣傳遞，加快反應(yīng)速率，但增加到一定程度后，氫氣基本處于飽和狀態(tài)，氫分壓影響較小[6]；攪拌強(qiáng)度也是還原反應(yīng)的控制性因素，充分的攪拌可以滿足擴(kuò)散需要，保證氣液兩相的良好接觸，攪拌速度的增加有利于提高銅鎳回收率。

（3）反應(yīng)時間的影響。如圖5，在反應(yīng)90min時為最佳條件。

2.2.2實(shí)際電鍍污泥的氫還原試驗(yàn)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并綜合考慮降低成本的要求，選擇在室溫下，按液固比為3投加6.5mol/L的NH3和（NH4）2SO4，與電鍍污泥浸出反應(yīng)60min。調(diào)節(jié)浸出液pH5.4～5.6，在攪拌轉(zhuǎn)速500r/min，氫壓力2MPa，反應(yīng)時間60min，反應(yīng)溫度160℃和200℃的條件下進(jìn)行氫還原實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如表4所示。

由表可知，當(dāng)溫度從160℃升高到200℃時，銅、鎳回收率增加，可見適當(dāng)提高溫度，能有效提高銅的產(chǎn)出率。這是由于，反應(yīng)過程中氫氣要裂解為氫原子然后參加反應(yīng)，雖然溫度升高降低了氫的溶解度，卻大量增加活化氫原子的數(shù)量，因而加快反應(yīng)的進(jìn)行。

3·結(jié)論

本研究采用氨浸—加壓氫還原技術(shù)，成功地從電鍍污泥中分離制取了金屬銅粉和鎳粉。

氨浸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NH3-（NH）42SO4體系浸出效果好、選擇性高，在反應(yīng)溫度25℃，浸出時間60min，氨水濃度6.5mol/L，液固比3的條件下，Ni、Cu、Zn的浸出率分別達(dá)到80.25%、77.42%、91.07%，而Fe、Cr、Ca等金屬的浸出率都很低。

氫還原實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氫分壓和攪拌速度通過影響氣-液傳質(zhì)過程進(jìn)而影響反應(yīng)速率，氫分壓和攪拌速度的增大均能提高銅鎳的回收率；而升高反應(yīng)溫度也有利于加快反應(yīng)進(jìn)程。當(dāng)浸出液pH5.4～5.6，攪拌轉(zhuǎn)速500r/min，氫壓力2MPa，反應(yīng)時間60min，反應(yīng)溫度160℃時，電鍍污泥中銅和鎳的回收率分別達(dá)到71%和64%。

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