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离子液体在黄铜矿湿法冶金中的应用研究

作　者: 董铁广
导　师: 华一新
学　校: 昆明理工大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: 离子液体 [bmim]HSO4 黄铜矿湿法冶金氧化浸出
分类号: TF811
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

自20世纪70年代,溶剂萃取技术给铜的湿法冶金带来了革命性的变化,湿法炼铜已经成为一个独立的工业体系,其发展速度远远高于整体铜工业的发展速度。多年来,黄铜矿的浸出是一直是硫化铜矿湿法冶金的核心,湿法冶金工作者一直致力于研发开发各种工艺处理黄铜矿,其中包括焙烧/浸出、加压酸浸、氯化浸出、氨浸及生物浸出等。酸性加压浸出的研究很多,但在实践中的应用还不是很普遍；卤化盐浸出工艺流程比较复杂,多数还处于实验或示范发展阶段；(生物)堆浸/萃取/电积法主要处理低品位铜矿,作业周期较长。总的来说,大多数工艺由于各种原因都没有大规模商业化,所以开发出对矿物适应性强、能耗低、排放少、能在低温低压条件下操作的新型绿色工艺仍是黄铜矿湿法冶金工作者的迫切任务。离子液体的应用为开发黄铜矿的绿色浸出工艺提供了可能。本文系统地介绍了国内外现有的黄铜矿湿法冶金方法、工艺及最新研究动态,深入分析了离子液体作为新型绿色溶剂所具有的各种优越性质及其在湿法冶金领域中的应用潜力。选择并合成了适合黄铜矿在低温低压浸出的Br(?)nsted酸性离子液体[bmim]HSO4(硫酸氢-1-丁基-3甲基咪唑),测定了[bmim]HSO4及其水溶液的溶液电位(Eh)、pH,论证了离子液体直接浸出黄铜矿的可行性。较为系统地研究了黄铜矿在离子液体[bmim]HSO4及其水溶液中的浸出行为。以纯[bmim]HSO4为浸出剂,在90℃、81 kPa氧分压、搅拌速度800 rpm、矿物粒度为74～65μm、矿浆浓度为100 g/L、浸出时间24 h的条件下,铜的浸出率达到95%。相比传统H2SO4-Fe2(SO4)3体系浸出黄铜矿,铜的浸出率提高了近3～4倍。用[bmim]HSO4、[hmim]HSO4和[omim]HSO4三种离子液体对黄铜矿的浸出率做了比较,发现其都能有效地浸出黄铜矿。通过测量浸出体系在浸出前后Eh和pH变化与分析浸出液中[Cu2+]、[Fe3+]、[Fe2+]以及浸出渣的成分,探讨了浸出的化学过程与动力学机理。研究发现黄铜矿在离子液体及其水溶液中的浸出是一个耗酸耗氧的过程,离子液体能够电离出H+,从而起到酸的作用。浸出过程的主要反应为：通过黄铜矿浸出的条件实验研究表明,减小矿物粒度、增加搅拌速度、提高浸出温度、增加离子液体浓度、提高氧分压可以提高黄铜矿的浸出率。通过实验数据分析得出,在40～90℃的温度范围内黄铜矿在离子液体水溶液中溶解主要取决于元素硫固体产物层的内扩散控制,其表观活化能为69.4 kJ/mol;当温度达到70℃以上,黄铜矿的溶解速率明显提高。与传统水溶液浸出黄铜矿相比,离子液体可能起到促进溶解氧的传递及其还原反应而加速黄铜矿的氧化浸出,故而可以推测离子液体能够起一定催化作用。测定了黄铜矿浸出的速率常数与氧分压有如下关系：通过电化学测试,发现在600～800mV (vsSHE)黄铜矿在离子液体水溶液中发生明显的直接氧化反应,但产生的元素硫会导致一定程度的钝化,从而在实际浸出过程中影响整个溶解速率。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-30
  1.1 世界铜资源现状  10-11
  1.2 黄铜矿湿法冶金工艺的发展及现状  11-17
    1.2.1 焙烧/浸出/电积  11
    1.2.2 浸出/萃取/电积  11
    1.2.3 硫酸—硫酸盐体系浸出  11-14
    1.2.4 卤化盐类浸出  14-16
    1.2.5 氨—铵盐体系浸出  16
    1.2.6 生物浸出  16-17
  1.3 黄铜矿湿法冶金的发展前景  17-18
  1.4 离子液体简介及其应用  18-27
    1.4.1 离子液体的定义  18
    1.4.2 离子液体的分类  18-20
    1.4.3 离子液体的一般性质  20-22
    1.4.4 离子液体的应用  22-27
  1.5 本论文研究的意义  27-28
  1.6 本论文研究内容及创新点  28-30
    1.6.1 研究内容  28-29
    1.6.2 论文创新点  29-30
第二章离子液体的合成及表征  30-35
  2.1 实验合成部分  30-31
    2.1.1 实验药品  30-31
    2.1.2 实验仪器  31
  2.2 离子液体的合成  31-32
    2.2.1 [bmim]Cl的合成  31-32
    2.2.2 [bmim]HSO_4的合成  32
  2.3 [bmim]Cl与[bmim]HSO_4的结构表征  32-35
    2.3.1 [bmim]Cl的红外光谱分析  32-33
    2.3.2 [bmim]HSO_4的核磁共振氢谱分析  33-34
    2.3.3 [bmim]HSO_4的红外光谱  34-35
第三章实验准备及研究方法  35-42
  3.1 实验药品  35-36
  3.2 实验仪器与设备  36
  3.3 浸出实验  36-38
    3.3.1 实验条件  37
    3.3.2 研究方法  37-38
    3.3.3 实验操作  38
  3.4 分析检测方法  38-40
    3.4.1 黄铜矿精矿的化学成分及物相分析  38
    3.4.2 浸出液成分分析  38-40
    3.4.3 浸出渣成分分析  40
  3.5 电化学研究方案  40-42
    3.5.1 电极制作  40-41
    3.5.2 研究方法  41-42
第四章黄铜矿的浸出实验研究  42-73
  4.1 黄铜矿精矿的化学成分及物相  42-43
  4.2 黄铜矿浸出过程的热力学分析  43-48
    4.2.1 CuFeS_2-H_2O系的E_h-pH  43-44
    4.2.2 FeS_2-H_2O系的E_h-pH  44-46
    4.2.3 S-H_2O系的E_h-pH  46-47
    4.2.4 Fe_H2O系的E_h-pH  47-48
  4.3 离子液体及其水溶液的电位(E_h)、pH  48-50
    4.3.1 实验仪器、方法  48
    4.3.2 溶液电位  48-49
    4.3.3 pH  49-50
  4.4 [bmim]HSO_4浸出黄铜矿的实验研究  50-66
    4.4.1 黄铜矿溶解的化学过程  50-51
    4.4.2 黄铜矿溶解的动力学分析  51-55
    4.4.3 搅拌速度的影响  55-56
    4.4.4 矿物粒度的影响  56-57
    4.4.5 温度的影响  57-59
    4.4.6 离子液体浓度的影响  59-60
    4.4.7 液固比的影响  60
    4.4.8 氧分压的影响  60-62
    4.4.9 Fe~(3+)浓度的影响  62-64
    4.4.10 硫酸浓度的影响  64-66
  4.5 [hmim]HSO_4、[omim]HSO_4浸出黄铜矿的实验研究  66
  4.6 浸出渣分析  66-72
    4.6.1 XRD分析  66-68
    4.6.2 光学显微镜分析  68
    4.6.3 扫描电镜和能谱分析  68-72
  4.7 本章小结  72-73
第五章黄铜矿溶解的电化学研究  73-83
  5.1 黄铜矿溶解的氧化还原反应  73-78
    5.1.1 阳极氧化反应  73-74
    5.1.2 阴极还原反应  74-75
    5.1.3 阳极氧化产物的还原  75-76
    5.1.4 阴极还原产物的氧化  76-78
  5.2 电位对黄铜矿溶解的影响  78-80
  5.3 温度的影响  80
  5.4 酸度的影响  80-81
  5.5 扫描速率的影响  81-82
  5.6 本章小结  82-83
第六章结论与展望  83-85
致谢  85-86
参考文献  86-97
附录  97

离子液体在黄铜矿湿法冶金中的应用研究

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