DOI：10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.07.22

铁矾渣热酸分解及硫脲提银

何  静，杨建平，杨声海，陈永明，王夏阳

(中南大学 冶金与环境学院，长沙 410083)

摘  要：进行铁矾渣热硫酸分解和分解渣硫脲法提银的试验研究，考察硫酸用量、分解温度、反应时间、液固比对铁矾渣中Fe、Zn、Ag浸出率的影响，以及硫脲法提银的最优条件。结果表明：在硫酸用量为其理论值的1.5倍、分解温度95 ℃、时间2.5 h、液固比2.5:1的最佳条件下，铁矾渣中Fe和Zn浸出率分别为93.85%和92.25%，而Ag的浸出率仅为1.99%。分解液净化后可用中温水热法制备铁红，分解渣中Ag富集到1060 g/t。在液固比10:1、硫脲浓度15 g/L、浸出温度90 ℃、反应时间2.5 h的最优条件下，Ag的平均浸出率在93%以上，同时，渣中Pb的品位由1.7%提高到7.5%。

关键字：铁矾渣；湿法炼锌；Ag；硫脲；分解

文章编号：1004-0609(2017)-07-1504-09　　     中图分类号：TF8　　     文献标志码：A

目前，80%的金属Zn采用“焙烧-浸出-电积”的湿法工艺生产，其中高温高酸浸出铁酸锌时，Fe也同时进入浸出液，为了实现铁锌分离，先后在工业上应用沉铁的方法有黄钾铁矾法、转化法、针铁矿法、赤铁矿法。目前，国内外采用黄钾铁矾法较多，较之于其他方法，该方法渣粒粗、过滤性好，渣含金属较少，但其主要缺点渣量大，需要消耗碱，渣含铁低，且稳定性差^[1-3]。铁矾渣一般在冶炼厂附近渣场堆存，这不但占用大量宝贵的土地资源，而且铁矾渣中的重金属，如Zn、Cu、Cd、Pb、As和Sb等，在自然堆存条件下会不断溶出从而污染地下水和土壤^[4-6]。目前，铁矾渣的处理包括无害化处理和回收有价金属两个方面。铁矾渣无害化工艺主要有高温烧结法^[7-10]、还原焙烧-磁选法^[11]、高温水解法^[12-14]和溶剂浸出法等，铁矾渣中的铁资源分别以硅酸盐、铁酸盐或Fe₂O₃等形态在炼铁、微晶玻璃、陶瓷材料、颜料或建材等领域得到增值利用，而重金属元素则得到有效回收或固化处理，由于运营成本高，都未得到推广运用。铁钒渣有价金属的回收，从经济效益上考虑，主要着眼于回收其中的稀散金属Ln、Ag等，韩国瓮山冶炼厂采用两段Ausmelt炉回收铁矾渣中的有价金属工艺已实现工业化，但该工艺固定投资和运行成本都较高，且高温挥发过程中还会造成空气污染^[15]。因此，如何经济有效地处理数量庞大的湿法炼锌铁矾渣，仍然是当今有色冶金工业面临的重要环保课题。

国内的研究者针对铁矾渣综合利用也进行了许多研究。赤峰红烨锌冶炼有限责任公司的鞠学珍等^[16]和黄善云^[17]采用“洗涤-焙烧”工艺对该厂的铁矾渣进行探索试验，即先通过酸洗可使渣中Zn含量由9.20%降低至1.50%；洗渣干燥后加焦粉焙烧，可得含Fe 53%、Zn1.3%的氧化铁渣；但该工艺焙烧的效果差，终渣中的锌含量过高，Fe含量过低，无法达到铁精矿的标准。紫金矿冶设计研究院的蓝碧波等^[18]采用“酸浸-焙烧-酸浸”工艺处理铁矾渣，结果表明：渣中的Zn含量可由3.97%降低至约0.085%，酸浸渣铁含量可达到66%；但该工艺流程过长，且酸浸液Zn、Fe含量低，后续回收效率不高。薛佩毅等^[15]将黄钾铁矾渣在650 ℃下焙烧1 h，然后在105 ℃、液固比5:1条件下用6 mol/L的NH₄C1浸出Zn、Pb和Cd，浸出渣在160 ℃下用23.08%的NaOH溶液浸出1 h，浸出渣中的Fe含量可提高到54%左右；但该工艺浸出温度苛刻，且能耗较大，浸出渣Fe含量偏低，难以达到炼铁原料的要求。

由此，本文作者提出“H₂SO₄热分解-硫脲提银-尿素中温制备铁红”的含银铁矾渣湿法处理工艺。即首先在H₂SO₄体系中热分解铁矾渣，产出含Fe、Zn浓度分别为101.3 g/L和13.7 g/L的分解高铁溶液以及将Ag富集到含Ag 1240 g/t的分解渣中，前者经净化后尿素中温可制取铁红，后者采用硫脲浸出提银，研究铁矾渣热硫酸分解，分解渣硫脲法提银过程中硫酸用量、分解温度、反应时间、液固体积质量比对铁矾渣中主要金属浸出率的影响规律及硫脲提银的最优工艺条件。

1  实验

1.1  原料

试验所用铁矾渣取自内蒙古某湿法炼锌厂，其化学成分列于表1，XRD谱分析结果如图1所示。

表1  铁矾渣的化学成分

Table 1  Chemical composition of jarosite residue (mass fraction, %)

图1  铁矾渣的XRD谱

Fig. 1  XRD pattern of jarosite resisue

由表1可知，铁矾渣的主要化学组成为Fe(25.9%)、S(10.1%)，其次为Zn(3.6%)、SiO₂(2.8%)、Pb(1.7%)。由图1可看出，原料中的Fe主要以钠铁矾NaFe₃(SO₄)₂(OH)₆的形式存在；Zn主要以铁酸锌ZnFe₂O₄的形式存在。而Ag⁺、Pb²⁺与Na⁺、K⁺、NH₄⁺一样，可能以银铁矾[AgFe₃(SO₄)₂(OH)₆]和铅铁矾[Pb_0.5Fe₃(SO₄)₂(OH)₆]的形式与铁共沉淀进入钒渣，Cu²⁺、Cd²⁺及部分Zn²⁺主要取代铁矾晶格中的Fe³⁺而进入渣中，而Sb⁵⁺、Sn⁴⁺、As⁵⁺除少部分以SbO₄^3-、SnO₃^2-和AsO₄^3-形态取代铁矾晶格，大部分以独立的FeSbO₄、FeSnO₃和FeASO₄相存在于铁渣中^[19-21]。

1.2  试验装置及方法

铁矾渣热酸分解试验装置如图2所示。铁矾渣热酸分解实验在1L密闭的烧杯中进行，温度由恒温水浴锅控制。量取一定量的工业浓硫酸放入烧杯中，按预定液固比加入一定体积的蒸馏水，将其放入恒温水浴锅中，待溶液温度恒定于预定值后，称取40 g铁钒渣缓慢加入烧杯中，磁力搅拌加热，并开始计时。到达预定时间后，停止反应并进行过滤，滤饼用蒸馏水淋洗3次，洗水与滤液合并后量取体积用ICP-AES方法取样分析，滤渣经远红外干燥箱烘干后，称取质量进行取样分析。金属的浸出率用R进行表征，计算公式如式(1)所示：

                              (1)

式中：R为金属的浸出率，%；ρ为金属的浓度，g/L；V为溶液体积，L；m为试料质量，g；w为金属在试料中所占质量分数，%。

图2  铁矾渣热酸分解试验装置图

Fig. 2  Schematic diagram of experimental set-up for sodium jarosite residue decomposition

2  工艺流程及原理

2.1  工艺流程

铁矾渣热酸分解及硫脲提银的原则流程如图3所示。

图3  铁矾渣热酸分解及硫脲提银的原则流程图

Fig. 3  Principle flow sheet of decomposition of jarosite residue in sulfuric acid medium and recovery of silver with thiourea solution

2.2  实验原理

2.2.1  铁钒渣热酸分解原理

如前所述，铁矾渣包含的金属有Fe、Zn、Ag、Cu、Cd、Pb、As、Sb等，主要物相组成为NaFe₃(SO₄)₂(OH)₆、ZnO·Fe₂O₃。因此，铁矾渣热酸分解的主要反应如式(2)和(3)所示。随着黄钾铁矾晶格的破坏，铁矾晶格中的Zn²⁺、Ag⁺、Cu²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、As³⁺、Sb³⁺等杂质离子均析出。铁矾渣中的砷酸铁在高酸时也会被分解以As⁵⁺的形式进入溶液，反应如式(4)所示。

            (2)

       (3)

            (4)

2.2.2  硫脲提银原理

硫脲又称硫代尿素，其分子式为SC(NH₂)₂，易溶于水，25 ℃下水的溶解度为14%，水溶液显中性。硫脲在酸性介质中具有还原性，如在室温下，硫脲在酸性介质中长时间放置可自行氧化成二硫甲醚(SCN₂H₃)₂。硫脲溶解Ag的原理为在氧化剂存在的条件下，Ag以Ag[(SC(NH₂)₂)]₃⁺形式溶于硫脲的酸性溶液中，以Fe³⁺为氧化剂则发生Fe³⁺到Fe²⁺还原过程，整个过程发生以下反应：

                     (5)

                  (6)

       (7)

其总反应为

(8)

25 ℃下Ag-SC(NH₂)₂-H₂O系电位-pH图见图4。由图4可知，Ag溶解生成Ag[(SC(NH₂)₂)]₃⁺线在Fe²⁺氧化成Fe³⁺线的下面，且Ag溶解线在H₂O的热稳定区域，说明在热力学上硫脉提银以Fe³⁺做氧化剂是可行的；硫脉氧化成二硫甲醚(SCN₂H₃)₂线与银溶解线在相交处对应pH为6.17，说明银溶解所需的pH值需小于6.17，既在酸性介质中，此时析氧线在Fe²⁺氧化成Fe³⁺线的上面，说明在酸性溶液里溶解O₂不仅自身能够氧化溶解银，还能够氧化Fe²⁺使Fe³⁺再生。

图4  Ag-SC(NH₂)₂-H₂O系电位-pH图

Fig. 4  Potential-pH diagram of Ag-SC(NH₂)₂-H₂O system

3  结果与分析

3.1  硫酸用量的影响

在液固体积质量比3:1、浸出时间2.0 h、反应温度为95 ℃的条件下，改变H₂SO₄的加入量以考察其对铁矾渣分解过程的影响，结果如图5所示。

由图5可知，Fe、Zn、Ag浸出率都随硫酸用量的增加而增加，当硫酸用量为其理论耗量的1.5倍时，三者的浸出率分别达到89.21%、82.01%以及50.1%；此后，继续增加硫酸用量，Fe、Zn、Ag的浸出率基本保持不变。

图5  硫酸用量对Fe、Zn、Ag浸出率的影响

Fig. 5  Effect of H₂SO₄ addition on leaching rate of Fe, Zn and Ag

3.2  分解温度的影响

在液固体积质量比3:1、硫酸用量为其理论值的1.5倍、反应时间2.0 h的条件下。改变分解温度以考察其对铁矾渣分解过程的影响，结果如图6所示。

图6  反应温度对Fe、Zn、Ag浸出率的影响

Fig. 6  Effect of temperature on leaching rate of Fe, Zn and Ag

由图6可知，温度对分解过程影响较大，升高温度有利于金属浸出率的增大。尤其是Fe和Zn，当温度由55 ℃提高至95 ℃接近水的沸点时，Fe、Zn浸出率分别由53.53%和43.53%显著增加至89.21%和82.01%。这主要是由于铁矾和铁酸锌常温下难以溶出，常压下只有在较高的温度和高酸的极端条件下，才会分解浸出。另一方面，Ag的浸出率也随着浸出温度的上升而增加，当温度由55 ℃提高至95 ℃时，Ag的浸出率随之由6.9%增加至52.84%。这主要是由于矾渣中的Ag大多以银铁矾形式存在，在浸出过程中，铁矾渣被破坏，被包裹的银裸露出来，Ag与H₂SO₄反应生成Ag₂SO₄，低温下Ag₂SO₄溶解度很小而仍留于浸出渣中，但高温下Ag₂SO₄溶解度增加明显。

3.3  反应时间的影响

在液固体积质量比3:1、硫酸用量为其理论值的1.5倍、反应温度95 ℃的条件下，改变反应时间以考察其对铁矾渣分解过程的影响，其结果如图7所示。

由图7可知，反应时间延长有利于金属Fe、Zn浸出率的提高。当浸出时间由0.5 h延长至2.5 h时，Fe、Zn的浸出率分别由80.74%和70.92%增加至88.94%和85.43%，Ag的浸出率变化不大；其后继续延长浸出时间，Fe的浸出率变化不大，Zn的浸出率在缓慢增加，Ag的浸出率下降到36.2%，最佳浸出时间为2.5~3 h。

图7  浸出时间对Fe、Zn、Ag浸出率的影响

Fig. 7  Effect of reaction time on leaching rate of Fe, Zn and Ag

3.4  液固比的影响

在硫酸用量为其理论值的1.5倍、浸出时间2.0 h、反应温度95 ℃的条件下，改变液固比以考察其对铁矾渣分解过程的影响，结果如图8所示。

由图8可知，随着液固比的增大，Fe、Zn的浸出率都呈减小的趋势，而Ag的浸出率在液固比为3:1时最大，而后随着液固比的增大明显降低，这主要是由于液固比的增加导致硫酸浸出剂浓度大幅降低。液固比过大，浸出液中Fe、Zn、Ag含量随之降低，最终导致生产效率的降低。因此，选择最优的液固体积质量比为2.5:1。

3.5  综合扩大试验

依据单因素条件试验结果，确定热酸分解最优浸出条件为：硫酸用量为其理论值的1.5倍，温度95 ℃，反应时间2.5 h，液固体积质量比2.5:1，同时加入NaCl抑制Ag的浸出。在此条件下进行3次重复试验，每次浸出400 g铁矾渣。得分解渣共计539.37 g，平均渣率为55.05%，其化学组成列于表2。铁矾渣热酸分解

过程中，主要金属元素的平衡如表3所示。所得滤液共计2.89 L，合并后其化学组成列于表4。

由表2和3可知，铁矾渣热酸分解后，渣中Fe、Zn分别为9.57%和1.73%，铁矾渣分解过程中Ag、Pb基本留在渣中，Ag的平均含量为1240 g/t，渣计浸出率为8.02%，Ag在浸出过程中可通过增加NaCl的用量来减少其在液中损失；热酸分解渣XRD谱如图9所示，显然，渣中的Fe仍以铁矾的形式存在，Pb、Ca主要以硫酸盐的形式存在，Ag以二价氧化物的形态存在。

图8  液固比对Fe、Zn、Ag浸出率的影响

Fig. 8  Effect of liquid-solid ratio on leaching rate of Fe, Zn and Ag

表2  浸出渣混合后的化学组成/%

Table 2  Chemical composition of decomposition residue (mass fraction, %)

表3  铁矾渣热酸分解过程中主要金属元素平衡

Table 3  Metal balance during sulfuric acid decomposition of jarosite residue

如表4所列，分解液中Fe、Zn的平均浓度分别为101.3 g/L和13.7 g/L，液计平均浸出率分别为93.91%、90.31%，Ag的液计平均浸出率为1.99%，杂质金属As的浸出率为86.04%，其在分解液中的浓度高达2.75 g/L，进一步除砷后和深度净化后，该溶液中添加沉铁所需1.5倍尿素后置于高压釜在转速240 r/min、反应温度150~200 ℃、反应时间1 h条件下进

行水热法试验，得到的固体XRD谱如图10所示，由图10可知，沉铁产物的为Fe₂O₃铁红，且无明显杂质峰。

表4  浸出滤液混合后的化学组成

Table 4  Chemical composition of pregnant solution (g/L)

图9  热酸分解渣的XRD谱

Fig. 9  XRD pattern of decomposition residue

3.6  分解渣硫脲提银

以张少博等^[22]对含银锌酸浸渣硫脲浸银正交试验的研究为参考，进行了硫脲提银主要因素的试验研究，其结果如图11所示。

图10  沉铁产物的XRD谱

Fig. 10  XRD pattern of iron oxide red

图11  硫脲浓度、温度、时间和液固比对Ag浸出率的影响

Fig. 11  Effects of thiourea concentration (a), temperature (b), time (c) and liquid-solid ratio (d) on leaching rate of Ag

表5  优化试验结果

Table 5  Optimization experiment results

由图11确定硫脲法提银的最优条件如下：硫脲浓度15 g/L，温度90 ℃，时间2.5 h，液固比10:1。在此条件下，进行3次优化试验，试验规模为200 g热酸浸出渣/次，优化试验结果见表5，硫脲浸出渣见表6。由表5可知，Ag的浸出率最高可达94.8%，平均浸出率为93.5%，溶液中Ag的浓度最高可达107.25 mg/L，平均浓度为103.67 mg/L，浸出液进一步用锌粉置换，可得银粉，置换后液可循环利用提取Ag。浸出渣中Ag的化学成分痕量，渣中Pb的化学成分最高达7.8%，平均为7.4%，平均富集了4.4倍，可送铅回系统。由表6和图9热酸分解渣的XRD谱综合分析可知，硫脲浸出渣主要物相为CaSO₄、PbSO₄、SiO₂等。

表6  硫脲浸出渣的化学组成

Table 6  Chemical composition of thioure leaching residue (mass fraction, %)

4  结论

1) 硫酸用量、分解温度、反应时间对铁矾渣的分解过程显著。在硫酸用量为其理论值的1.5倍，分解温度95 ℃，反应时间2.5 h，液固体积质量比2.5:1的最佳条件下，铁矾渣中Fe、Zn浸出率分别为93.85%和92.25%，浸出液中Fe、Zn的浓度分别高达101.3 g/L和13.7 g/L，净化除砷后可用水热法制备铁红。

2) 在铁矾渣分解过程中，杂质金属Ag、Pb等基本留在分解渣中，Ag的平均浸出率仅为1.99%，分解渣中Ag富集到1240 g/t。在液固比10:1、硫脲浓度15 g/L、浸出温度90 ℃、反应时间2.5 h的最优条件下，硫脲法提银的浸出率在93%以上，锌粉置换后可得到银粉，置换后液可循环利用提取Ag。铁矾渣中Pb得到富集，品位由1.7%提高到7.5%，可送Pb回收系统。

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Decomposition of jarosite residue in sulfuric acid medium and recovery of silver with thiourea solution

HE Jing, YANG Jian-ping, YANG Sheng-hai, CHEN Yong-ming, WANG Xia-yang

(School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The decomposition of sodium jarosite in H₂SO₄ medium and recovery of silver from silver bearing decomposition residue were studied. The effects of H₂SO₄ additions, decomposition temperature, time and liquid-solid ratio on leaching rate of Fe, Zn and Ag were investigated. The results show that, under the following optimum conditions of H₂SO₄ additions 1.5 times of its experimental value, temperature of 95 ℃, reaction time of 2.5 h and liquid-solid ratio of 2.5:1, the leaching rates of Fe and Zn can reach 93.85% and 92.25%, the mean leaching rate of Ag is only 1.99%. After being purified, the decomposition solution is used to explore the preparation of iron oxide red by hydrothemal method and silver in decomposition residue can be enriched to 1060 g/t. And then, the optimal conditions of recovery of silver with thiourea solution is determined as follow: thiourea concentration of 15 g/L, liquid-solid ratio of 10:1, temperature of 90 ℃, time of 2.5 h. The results show that the leaching rate of Ag can reach 93%, and then, the lead contents are also improved from 1.7% to 7.5%.

Key words: jarosite residue; zinc hydrometallurgy; silver; thiourea; decomposition

Foundation item: Project (51174240) supported by the National Natural Science Foundation of China

Received date: 2016-05-17; Accepted date: 2016-11-02

Corresponding author: HE Jing; Tel: +86-731-88830470; E-mail: he6213@163.com

(编辑  李艳红)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51174240)

收稿日期：2016-05-17；修订日期：2016-11-02

通信作者：何  静，教授；电话：0731-88830470；E-mail：he6213@163.com