利用铜渣生产硫酸铜的实验报告

利用铜渣生产硫酸铜的实验报告

王健 李小平 徐超秀

（巴彦淖尔紫金有色金属有限公司技术部）

摘要 研究了利用铜渣生产硫酸铜的过程中反应温度、硫酸用量、硫酸浓度、以及反应时间对反应效率的影响。通过实验考察，确定了适于利用本公司铜渣生产硫酸铜的实验参数和工艺流程。 0 前言

巴彦淖尔紫金有色金属有限公司设计生产能力为10万吨锌锭，生产工艺为：锌精矿氧化熔烧—热酸浸出—低污染黄甲铁矾除铁。公司处理的原料属于高铁闪锌矿，含钴较高，净液过程中采用锌渣、锑盐硫酸铜、硫酸铅综合除钴工艺。因此长期的净化过程需要大量硫酸铜作为辅料被消耗掉。因此，从2008年年末开始，为了响应“学金山，降成本”的口号，积极参与“小改小革”促效益、降成本活动，技术部专门成立项目小组，对利用铜渣生产硫酸铜实验进行了全面、系统的研究。 1 试验药品和仪器

铜渣;浓硫酸（98%）；1 台抽滤泵;1 台搅拌器;1台电炉;2000 mL 和4000mL 烧杯各1只;1只1000mL 量桶;微型鼓气盒子一个； 2 实验 2.1 实验原料

试验原料为我公司镉工段所产铜渣，铜渣各主要元素含量见表1。

表1 铜渣中各主要元素的含量（%）

元素 含量 2.2 实验原理

Zn 5.63

Cu 58.92

Cd 2.04

Fe 0.21

2Cu + 1/2 O2 ==Cu2O (1) Cu2O + H2SO4 == Cu2SO4 + H2O (2) Cu2SO4 + H2SO4 + 1/2O2==2CuSO4 + H2O (3) 总反应式:

Cu + O2 + H2SO4 ==CuSO4 + H2O (4) 2.3 实验方法

本实验采用“单因素分析”法，依次对硫酸铜用量、硫酸浓度、反应温度、反应时间进行分析。试验具体操作为：配制一定浓度的硫酸溶液，鼓入空气、搅拌、加热至一定温度时一次性加入所需铜渣，反应一定时间后停止加热、搅拌，对混液进行过滤，对所得滤渣和滤液进行元素分析。 3 结果与讨论

3. 1 反应温度的确定

在其它条件均不变的条件下,通过改变温度,获得在相同时间内,转化率随温度变化的关系,实验结果见表2。

表2 反应温度与转化率的关系

温度/ ℃ 转化率/ %

常温 15

50 18.2

60 22.5

70 39. 0

80 90

48. 0 51.2

反应条件:铜渣:工业硫酸= 1 :1(质量) ;稀硫酸的浓度: 10 %;反应时间:6h。

从表2 可以看出,当反应温度在60 ℃以下时,转化率较低而且随

温度的升高变化不大,只有当温度超过60 ℃以后,转化率才迅速上升。当温度超过80 ℃以后,转化率增加也并不像在60～70 ℃之间那么显著。之所以这样是因为在温度低时,整个反应速度受化学反应速度控制,温度低,反应活性较低,反应速度缓慢;而在温度较高时,特别是接近于水的沸腾温度,整个反应速度受空气在水中的溶解度和物理扩散速度控制,所以温度升的过高,虽然化学反应活性较大,但空气在酸液中的扩散阻力较大,所以空气的溶解度迅速下降,导致转化率并没有明显地增加。综上所述,反应温度确定为80℃之间。 3. 2 反应时间的确定

测定氧化时间,主要是在相同的初始反应条件下,测定时间与转化率之间的关系（见表3）。

表3 反应时间与转化率之间的关系

反应时间/ h 转化率/ %

1

5

3

8

5

41

7

52

9

56

反应条件:铜渣:工业硫酸= 1 :1(质量) ;稀硫酸的浓度:10 %;反应温度:80 ℃

从表3 可以看出,当反应时间达到7h 以后,转化率已达50 %以上。7h 转化率虽有增加,但并不显著。另外,长时间的鼓泡反应水分蒸发较迅速,当反应到达6h左右时,反应液的体积减少到不足初始溶液体积二分之一。虽然延长时间转化率有所提高,但是由于溶液体积少、浓度大,铜渣悬浮较为困难,而且有可能出现硫酸铜结晶的情况,给未反应的铜渣与母液的分离带来了一定的困难。在反应过程中,水分蒸发的速度不仅与反应温度和反应时间有关,而且还与反应器的形状有关。同样的原料配比和反应液的体积分别盛入2000mL和4000mL

的烧杯中,同样经过7h左右 的反应,2000mL烧杯中的反应液在整个反应过程中不需要补充水量,而4000mL 在反应过程中最少需要补充100mL的水。所以综合考虑,反应时间以6h 为宜,反应器宜选用在相同容积的情况下,其深度与平面比较大的容器。 3.3 硫酸的用量和稀硫酸浓度对反应的影响。 3.3.1 硫酸用量对反应的影响

铜渣与硫酸的原料配比对反应结果的影响见表4。

表4 硫酸的用量对铜渣转化率的影响

Cu :H2SO4

(w)

1 :1. 1 1 :1. 3 1 :1. 6 1 :1. 8 1 :2 1 :2. 7 1 :3.0

55

55

转化率/ % 38. 25 43. 75 49. 5 50. 3 51. 3

反应条件:反应温度:80 ℃,反应时间:6h ,铜渣均为200g ,反应容器:2000mL

和4000mL 烧杯,酸的浓度为10 %。

从表4 可以看出,在相同的反应温度和相同的酸的浓度下,经历相同的反应时间,其铜渣的转化量近似相同。表4 中Cu :H2SO4 = 1 :1. 反应6 小时,铜渣转化量偏低,原因是反应在开始阶段温度偏低造成的。铜渣空气氧化生产硫酸铜是在一定浓度的稀硫酸溶液中进行的。这是一个气、液、固三相反应,空气必须在稀硫酸中充分的鼓泡,让铜渣悬浮起来。悬浮起来的铜渣在稀硫酸中被溶解的空气只能氧化生成氧化亚铜而不能生成氧化铜,氧化亚铜又与稀硫酸发生反应生成硫酸亚铜,硫酸亚铜再与稀硫酸发生反应生成硫酸铜,反应式如下:

2Cu + 1/2 O2 ==Cu2O (1) Cu2O + H2SO4 == Cu2SO4 + H2O (2) Cu2SO4 + H2SO4 + 1/2O2==2CuSO4 + H2O (3)