湿法冶金发达的对象和设施

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所属分类:冶金设备
湿法冶金发展的方向和方法_冶金/矿山/地质_工程科技_专业资料。湿法冶金发展的方向和方法 重点介绍湿法冶金发展的方向和具 有应用潜力的冶金方法 湿法冶金的发展 追溯 历史, 在公
湿法冶金发达的对象和设施

湿法冶金发达的对象和设施

  湿法冶金发展的方向和方法_冶金/矿山/地质_工程科技_专业资料。湿法冶金发展的方向和方法 重点介绍湿法冶金发展的方向和具 有应用潜力的冶金方法 湿法冶金的发展 追溯 历史, 在公元前 20 6 年, 也就是在西汉时 期, 就有了用胆矾法 提取 铜的 记载。 多

  湿法冶金发展的方向和方法 重点介绍湿法冶金发展的方向和具 有应用潜力的冶金方法 湿法冶金的发展 追溯 历史, 在公元前 20 6 年, 也就是在西汉时 期, 就有了用胆矾法 提取 铜的 记载。 多少年来, 湿 法冶金技术发展缓慢, 只是作为火法冶金的 一个 辅助手段而存在。直到 19 世纪它才得到 快速发展, 20 世纪逐 渐成为冶金 学科中的一个 独立分支, 进而成为重要的二级学 科。 ? 湿法冶金理论主要是依靠化学理论发展起来的 , 现在虽然还是以化学理论为基础, 但是由于学科 交叉、 互相渗透, 它与地球科学、 矿物学、 物 理学及一些工程科学都有关系。 ? 湿法冶金技术主要优势 1) 可以处理低品位物料, 包括 低品位 原生硫化 矿、 氧化 矿、 表外矿及废弃的尾矿, 并可 对一些 低品位 二次资 源 中的有价金属进行回收; ? 2) 可 以处 理复杂 矿石, 包 括一些 低品 位复杂 矿石 及大 洋锰结核, 能够有效回收其中的各种有 价金属; ? 3) 可 以提 高资源 的综 合利用 率, 在提 取精矿 中主 金属 的同时, 可以回收一些伴生的稀贵金属 ( A u , Ag 及铂 族 金属) 及稀散金属; ? 4) 劳动条件较好, 有利于环保, 较容易实现清洁生产; ? 5) 吸 入了 其他一 些学 科的理 论与 新技术, 相 关学 科的 发展也促进了它的发展。 ? 综观湿法冶金 的作 用以 及它 所提 取的 金属 之多, 足以 反映出它在冶 金学中的 地位及 在学科 发展及国民经济发 展中的作用。 ? 湿法冶金中的新发展 ? ? ? ? ? ? 湿法冶金主要工艺过程 包括:①矿石原料预处理; ②矿石原料浸出;③固液 分离; ④ 溶液净 化、富集及分 离;⑤从溶液中回收化合物或金属。 近些 年来, 湿 法冶金技术发展较快, 目前最为主要的新发展分述于下。 高压浸出 近年来, 一些采用高压 浸出的工厂相继开工或投产。据不完全统计, 从上 世纪 90 年代 到现在 已经投 产的高 压浸出厂至少超过 20 家, 其中包括 我 国第 1 个用 高压浸 出法处理高镍锍的工厂如新疆 阜康冶炼 厂。可以预料, 今后一段时间内, 高压浸出 工艺的应用领域还会不断扩大, 浸出工艺也会 得到不断完 善。 浸出速度一般 随温 度升 高而 明 显增 加, 某些 浸出 过程需在溶液沸点温 度以上进行。 对某些 有气体 参加的 浸出过程, 增大气体反应剂的 压力有 利于浸 出过程 的进行,这种在高温高压下的浸出称为高压浸出或压力溶出。高压浸出分为 高压氨浸、 高压碱浸、 高压酸浸。高压浸出在高压釜内进行, 高压釜的工 作 原理 及结 构与 机械 搅伴 浸出槽的相似, 但更耐高压, 密封良好。高压 釜有立式及卧式 2 种。 高压浸出设备及浸出关注对象 卧式高压釜的材质 要求能承 受一定的温度及压力, 并耐 磨及抗腐蚀。工业上有单体釜及串 级釜之分。 串级釜 一般分成数个室, 矿浆连续溢流通过每个室, 每室有单独 的搅拌器。目前, 应 用在冶金工业中的高 压釜其工作温 度能达到 230 左右, 工作压力达到 2 . 8 M Pa。 高压浸 出是强化浸 出的重要方法之 一。过去, 由于设备( 高压 釜) 制造复杂 及材质腐 蚀 问题 不易 解决, 其发展遇到 了一定困难,而今天制造业的发展及耐腐蚀材 料的出 现, 上述困难大大减少, 高压浸出得到了快速发展。 ? 目前高压浸出最受关注的是: ? ①硫化铜精矿的高压浸出;②硫化锌精矿的高压浸出; ③ 钨、 钼矿的高压浸出; ④镍、钴矿的高压浸出; ⑤铝土 矿 的高压 水化学法生产氧化铝;⑥铂族金属的加压浸出 及难处理金矿的加压浸出等。 ? 流态化浸出 ? 流态化浸出设备简单、效率高, 其工作原 理 :矿物原料从 加料口进入浸 出塔, 浸 出剂由喷嘴连续喷入浸出塔。在塔内, 由 于浸出剂的线速度超过临界速度, 因而固 体 物料 发生流态化, 形成流态化 床。在 床内,两相间传质及传热条件良好, 浸出反 应迅速发生。浸出液流到扩大段时, 流速 降低到临界速度以下, 固体颗粒沉降, 清液 则从溢流口出。为保证浸出时的温度, 浸 出塔可通过夹套通蒸气加热, 亦可用其他 方式加热 。 流态化浸出的特点是: ? ? 溶液在塔内的流动近似于活塞流, 容易转换, 易实现多段 逆流浸出; 相 对于搅拌浸出,颗粒磨细作用小, 因而对浸 出后的固态产品的粒度控制有利; 流态化床内有较好的 传质和 传热条件, 因而有较快的反应速度和较大的生产 能力。据报道, 锌湿法冶金过程中, 采用流态化浸出, 其 单位生产能力比机械搅拌浸出时大 10 ~ 17 倍。特别是 在有 氧参与 的浸出 过程( 如金 的氰化浸出) 中, 先将矿 石与浸出剂加入塔 内, 然后 从底部鼓入氧( 或空气) , 利 用气流使矿料形成气、液、固 3 相流态化床, 其传质效 果更好。 流态化的原理和设备不仅可用于浸出过程, 也可用于其 他有固相参加的过程, 如置换过程等。据报道, 在流态化 反应器中对 ZnS O4 溶液锌粉置换除铜镉时, 其生产能 力比机械搅拌的高 8~ 10 倍。 管道浸出 ? 混合好的矿浆通过隔膜泵以较快速度( 0 . 5 ~ 5 m/ s )进入反应管, 反应管外有加热装置对矿浆 加热, 反应管前部主要利用已反应的矿 浆的余 热加热, 后部则用高压蒸气或工频感应加热。矿 浆在沿管道流动过程中逐步升温并发生反应。 管道反应器 的特点是矿浆流动快速, 管内于高 度紊流状态, 传 质及传热效果良好 , 温度高, 因 而浸出效率较高, 一 般反应时间远比搅拌浸出 时间短。这一技术在铝土矿浸出制备氧化铝中 得到了大规模应用。 活化浸出 ? ? ①机械 活化浸 出。机械活化属于新 兴的边缘学科机械化 学的一部 分。在机械力的作 用下, 矿物晶体内部产生各种 缺陷, 处于不稳定的能位较高的状 态, 相应地其化学反应 活性较大。早在上世 纪 2 0 年代, 人们在研究磨矿后晶体 的活性时就发现, 磨矿所消 耗的能量不是全部转化为热能 或表面能, 而是有 5% ~ 10 % 储存在晶格内, 使晶体的化 学活性增加。这种活化方法迅速扩展到钨、钼矿物强化浸 出过程 的研究之中, 国内外学者在这方面都取得了较多的 研究成果。通过机械活化, 矿 物的浸出速度 和浸出率都有 大幅度提高, 反应表观活化能明显降低, 这种效果已引起冶 金工作者的极大兴趣 , 并已将其用于活化所有有固相参与 的反应过程, 如浸出过 程, 合金化过程, 工程材料的合成过 程, 非晶态材料的制备过程等。 ②其它活化浸出法。其它方法有超声波活化、 热活化, 辐射线活化、添加催化剂活化等。这些方法都能强化浸出 过程, 但大都没有实现大规模工业应用, 都有待进一步研究。 细菌浸出 ? ? ? ? ? ? ? 细菌浸出也是很早就提出来的一 种方法, 但由 于其动力学过程缓慢, 再加上适宜的菌种稀少, 所以 其发展迟缓, 以致于长期被束之高阁。 近年来有 3 方 面的原因使细菌浸出得到了充分重视: 1) 生物学科的飞速发展, 给寻找、 培养适合要求的菌种提供了可能; 2) 资源贫化、 易处理矿石越来越少。 尽管细菌浸出周期较长, 但它可 以从尾矿、 贫矿中回收有价金属; 3) 能源短缺, 环保要求提高。 细菌浸出能耗低, 可以减少污染甚至没 有污染, 容易实现清洁生产, 符合绿色冶金的要求。 细菌浸出又称微生物冶金, 它在工业生产上已成功地应用于从废石、 低品位矿石及硫化 矿精 矿中提 取 C u、U 、 贵金属以及 M n、 N i 、 C o、 S n 、 S b 、 M o 、 Bi 、 V 、 G a、 Ge 等金属及处理大洋结 核。 细菌浸出机理是利用细菌自身的氧化或还原性使矿物中某些组分得到 氧化 或还原, 进而以可溶或沉淀形式与原物质分离, 此即细菌浸出的 直接作用; 或者 依靠细菌的代谢产物( 有 机酸、 无 机酸 和三 价铁 离 子) 与矿物发生反应, 使有用组分进入溶液, 此即细菌浸出的间接作用。 细菌浸出过程中, 起关键作用的是 细 菌。目前发现和使用的细菌远远 满足不了浸矿的要求, 所以寻找、 培养耐高、 低温, 适应温度变化, 浸 矿速度快, 易得到、 易培养的细菌是细菌浸矿研究的关键问题。 原地浸出 ? ? ? ? 原地浸出简称地浸, 国外也称化学采矿、无井采矿。自然条件下, 矿石 不经开采, 于原地通过浸出剂的选择 性化学反应溶解矿石中的有价金 属, 然后收集 溶液从中提取有价金属。该法集采、选、冶于一体, 具 有很多优点: 1) 基建投资少, 建设周期短 , 生产成本低, 劳动强度小; 2) 不必建造和 管理尾矿 堆及废石堆; 3) 从根 本上改 变了劳动条件、卫生条件,增加 了生 产人员的安全性; 4 ) 使繁重的采选工作工厂化 、化学化及自动 化 ; 5) 可 充分利用资源, 对规模小、埋藏深、品 位低的矿体, 采用常 规方法开采很不经济 , 而用地浸法则可获得一定的经济效益; 6) 有利 于环境保护, 基本上不破坏农田和山林, 不改变矿山面貌, 不破坏植被, 能满足清洁生产的要求。 地浸法也有它一定的局限性: 1) 只适用于具有一定地质、水文地质条件的矿床; 2 )如果矿化不均匀, 矿层各部位的矿石胶结程度和 渗透 性不均匀, 则矿石中有价金属 浸 出较 难; 3 ) 浸出剂可能对地下水造成污染, 有时需要对地下水进行治 理与复原。尽管原地浸出有诸 多缺 点, 但其优点也是显而易见的, 所 以越来越受重视, 目前已应用于铀矿、铜矿、金矿的开采中。在其他 有色金属、稀有金属、稀土的提取中, 其应用前景也很广阔。长沙矿 冶研 究院承 担的用地浸法开采风化淋积型稀土矿的课题, 经国家验收, 达到了国内外领先水平, 已被国家作为重点项目推广。 溶剂萃取工艺的新发展 溶剂萃取技术 作为 一种分离技术已得到广 泛应用。 ? 溶剂萃取的实质是利用溶质在 2 种不同 溶液或部分互溶 的液相之间的分配比不同来实现溶质之间的分离或提纯。 由于它具有选择性高、分离效果好、易于实 现大规 模连 续化生产的优点, 早在二次世界大战期间就为先进国家所 重视。经过 50 多年的发展, 现在已在有色 金属湿法冶金、 化工、 原子能工业等领域中得到大规模应用。如在有色 金属 铜、 镍、 钴, 稀有高熔点金属 铌 、钽、钨、钼、钒 等, 稀散金属铟以及稀土金属的分离提纯; 化工产品的分离 与提纯; 核燃料的前后处理上都有应用, 而且在工业上都获 得了非常好的效果。 ? 对于传统的溶剂萃取, 还应该不断地筛 选及合成高效价廉 的萃取剂; 完善现有萃取工艺, 扩大应用范围; 开拓新设备; 深化萃取理论研究。 ? 反胶团溶剂萃取 反胶团溶剂萃取是当今极受重视的萃取新技术。在生物化工中, 如使用传 统的溶剂萃取技术分离蛋 白质及酶, 则易使它们变性, 而采用反胶团溶剂 萃取技术, 既能保证它们不被有机试剂破坏, 又能获得高萃取率, 所以得到 了广泛应用。也有人采用该法分离金属元素。 ? 当水溶液中表面活性剂浓度超过一定值( 称为临界胶束浓度) 时, 表面活性 剂单体聚集成 胶团 ( 也称胶束 ) 。在胶团中, 表面活性剂的非 极性端 向内 聚 集在一起, 形 成一个疏水空 腔, 而极性端向外, 使胶团能稳定地溶于水 中。利用胶团的这种性质, 可以使很多不溶于水的非极性物质溶解在水中。 相反, 如果在非极性有机溶剂中, 表面活性剂浓度超过 一定 值时 , 表面活 性剂单体也会聚集成聚集体, 但极性 端向内聚集在一 起, 形成亲水空腔, 而 非极性端向外, 使聚集胶团能稳定 地溶于水中, 这种聚集称之为反胶团。 ? 利用 反胶 团, 可以把一 些亲水憎油的物质包藏在亲水空腔里, 而溶解于非 极性有机溶 剂中。反胶团溶剂萃 取正是利用了反胶 团的这一 性质 , 蛋白 质可以被反胶团包藏而进入有机相, 改变条件又能回到水相, 从而实现分离 过程。可以认为, 反胶团溶剂萃取是一项极为重要的新萃取技术, 在生物化 工、 冶金、 环保中都会发挥有效作用。 ? 超临界流体萃取 ? ? ? ? ? 超临界流体萃取 是一项迅速 发展起来的新技术, 也是近些年来的热点研究课题之一, 有广阔的应用前景。 所谓超临界流体是指处于临界温度( T C ) 和临界压 力( p C) 以上的流 体。这种流 体兼有气液两相特点, 既有气体的低粘度、 高扩散性, 又有流 体的高密 度和良 好的 溶解物质的能力。当 压力和温 度变化时, 流 体的溶解能力受影响很大。因此, 可以 通过改变温度和压力来调节组分的溶解度。把这一技术应用于萃取体系中有许多优 点,除了优于一 般 的精 馏 和 萃取 技 术外, 其能 量消耗较小。 操作中, 优选温度和压力, 就可能把一些 元素的分配比提高, 使元素间的分离系数增 大。现在常使用 的超临界 流体有 C O2 、 氨、 乙烯、 丙烯、 水等。因为 CO 2 容易达到临界压力和临界 温 度, 其化学性质稳定, 无毒、 无臭、 无腐蚀性, 因而容 易得到纯产品, 所以是最为常用的临界流体。临界流体在化合物分离中的应用使超 临界流体萃 取 技术发展迅速。 超临界流体作为萃取剂, 从 液体和固体中萃取特定组分, 可以实现 某些 元素或化合物的分离。这一技术已在医药、 食品、 石油化工、 精细化工、 生 物等领 域得到了实际应用。 最近, 该技术又在环境分析中样品的前处理及废物处理中得到 应用, 而且效果良好。应该指出, 超临界流体 萃取中, 萃取剂需处于超临界状态, 所 以需要专门的设备, 因此其应用受到了限制。 微波萃取 ? ? 微波萃取是从分析化学中派生出来的新技术, 至今仍在制 备分析样品中广泛应用。采用微波萃取法制备 样品, 不仅 时间短,试剂用量少, 而且精度高、 回收率高, 其研究相当 活 跃。微波萃取法的操作是把样品和萃取剂装入一个密 闭容器中, 然后把密闭容器放置于微波发生器内。 由于容 器内部压力可达到 1 M Pa 以上, 这时萃取剂的沸点比 常 压下的沸点高很多, 可以达到常压下达不 到的温度 , 这样 既可提高萃取率, 又不致使萃取物和萃取剂被分解。微波 萃取 中, 萃取温度对萃取率的影响特别显著。例如, 常压 下丙酮的沸点为 56 . 2 , 而在密闭容 器中, 它的沸点可提 高到 164; 对 林 丹 的 萃 取 率, 90 下为9 % , 而 120 下可 达到 94 % 。 应该说明的是, 微波萃取剂必须是极性溶剂, 因为非极性溶 剂不吸收微波能量。如果使用非极性溶剂, 其中必须配加 50 % 的极性溶剂。萃取温度要控制在萃取剂不沸腾及不 使萃取物分解的条 件下, 萃取时间一般在1 0 ~1 5 mi n 内。 这些条件在微波容器中很容易实现。微波萃取技术的发展 所面临的问题是如何扩大规模与应用。 电泳萃取 ? ? ? 电泳萃取是电泳与萃取分离技术交叉耦合形成 的一 种新分离技 术, 也是利用 外电 势强化传质及提高萃取率的一种 方法。由于它克服了电泳技术的不足, 利用相界 面 的选择性和阻力, 能避免对流扩散产生, 所以能 萃取一些用传统方法难以萃取的物质, 因而被认为是一种具有较大潜力的分离方法, 故近年来研究的较多。电泳的实质是 利用不同物质的带电粒子在电场中定向运动的速度不同而实现物 质的分 离。单独 实施电泳时存在着一些问题, 如电泳过程中的 浓度梯度会导致浓差扩散; 电泳过程中 电流产生的热量 不能及时转移而造成 温度梯度, 引起热扩散与对流, 使分离区带重叠, 造成物质分离不完全。正是这些问 题影响着电泳技术的发展。当电与萃取技术结合时, 首先, 利用液液界面的双极性膜 性质, 将浓差扩散严格地限制在一 相中, 同时使待分离物质进入萃取剂中, 解决了浓 差扩散及混合难 题; 其次, 可利用扩散、 对流等性质加 快传质, 在设备设计中, 选择 优良的散热材料, 配合较小的操作相比及连续流动法,迅速移走电泳过程中所产生的 大量热 量。另外, 外加电场会破坏液 液相界的弱电场, 打破原有的化学平衡, 会强 化传质及提高萃取率。 电泳萃取技术可在生物化工和环境化学中得到利用, 但无论在 理论上还是实际应用 中都需进行大量的研究工作。 超声萃取 ? ? ? 超声萃取为萃取技术中的前沿课题, 可望成为一种新的溶剂萃取技 术。在溶剂萃取过程中引入超声波会明显地提高萃取效率。通过研 究超声波对镍的强化萃取, 了解了超声场能量、 声频率、 溶液 p H、 温度和有机相组成对萃取速度的影响。实验中采用 L i x 65 N 作为 萃 取剂, 超 声波频率为20 kH z , 输出功率为47 W 。可以看出, 引入超声波后, 镍的萃取率得 到明显提高。在超声场中萃取钴时。超声波的介入, 使 Co2+氧 化 成 C o3+, 改 变了原 有平衡, 因而提高了萃取速率, 萃取率也有显著提高。现在, 人们对 超声场强化 分离过程 的机 理研究还是初步的。以物理化学观点看, 超声场的介入不仅象热能、光能、 电能那样, 以一 种能量形式发挥 作用, 并能降低过程的能垒, 而且声能与物质间存在一种独特的相互 作用形式 超声空化。这一观点为深化对 超声场强化分离过程的认 识提供了一定依据。 但对类似于溶剂萃取这 样的过程, 因涉及到多 组分、 多相流体, 因而对超声场作用机理的研究, 仍显得非常不足; 对声能与物质间相互作用以及其产生的附加效应, 还需要继续深入 研究。 预分散萃取 ? ? ? ? 预分散萃取是首先把萃取剂及溶剂制备成高度分散的微小颗粒, 然 后与料液混合, 由于这些微小颗粒有巨大的表面 积, 因此可采用小 相比, 即少量的有机相。 采用这种萃取方法, 由于有机相界面积大, 有利于传质, 所以可提高萃取效率。 制备高度分散的微小颗粒有 2 种形式, 一 种是胶质液体泡沫( C L A ) , 另一种是胶质气体泡沫( C GA ) 。前 者是由含油溶性表面活 性剂油相 液滴和含 水溶性表面活性 剂的水质滑腻壳层构成 , 后者则把上述 的油相液滴换成气体。CL A 和 C GA 都是分散于连续水相的泡 沫, C L A直径在 1~ 2 0 m 之 间, C GA 直径一般大于 2 5 m。C L A与 CGA 在预分散萃取中的应 用是由于它们具有良好的稳定性和巨大的表面积, 非常有利于传质 和萃 取。 预分散萃取研究刚刚起步, 其 研究的 重点是 C LA 和CG A 性质。 可以 预料, 随 着 对 CL A 和 C GA 的 结构、 大小、 稳定性及影响 因素以及 预分散 萃取过 程的研究, 将会使预分散萃取技术不断完 善, 其应用前景应很美好。 磁场协助溶剂萃取 磁场与电场是感应相关的, 既然电场( 如电 泳) 对 萃取过程有影响, 可推知 磁 场对萃取同样 存在 着一 定的影响。1 99 3 年, 报道了磁场协助溶剂萃 取, 用D2 EH P A 为萃取剂萃取C u2+时, 铜的分配比提高了16 0 倍。磁场 效应作用于 T B P 萃 取溶液 中的 As ( V ) 时, 萃取体系的熵值及表 面张力 变小, 促 进了萃取过程中的能 ? 量变换。虽然萃合物结构中 仍形成 P = O →A s 配 位键,但由于相当于提 高了体系的温 度, 磁 场效应 对 T BP 萃 取 ? As ( V) 有促进作用。磁场效应 的作用和影响大小与溶 液的 p H、 SO2-4 和 As5+浓度等因素有一定关系。改用乙 酰胺萃取 A s5+时, 有上述同样的 结果。 用 三辛胺萃取钒 ? 时, 在磁场作用下萃取机制 没有变 化, 但萃取率有一定的提高。磁场对乙 酰胺萃取稀土 也有同样的作用, 数据表明, 不同的磁场强度对稀土萃取的 影响不同, 所以有可能通过控制磁场强度来达到提 高稀土萃取率的效果。 研究还发现, 有机相磁化后可缩短萃取平衡时 间, 减少达到饱和容量的次 数, 加快萃取动力学速度。以上表明, 磁场对萃取存在一定的影 响。随着 研究工作的深化, 借助于磁场作用, 可改变各萃取体系的萃取状况, 使这项 技术得到实际应用。 ? 液膜萃取 ? ? ? 液膜萃取技术是1968 年 发明的, 从 20 世纪 80年代以来, 国内外研 究很多, 已形成 一门独 立的分离技术。液膜萃取主要是指乳状液膜 萃取 , 乳状液膜是一 种双重乳状体系。首先把不相溶的有机相和反 萃 相搅拌制成乳状液, 然后将这种乳状液分散到萃取料液中。 萃取 料液 可称为第三相, 也可叫外相, 乳状液滴包裹的反萃相为内相, 外 相与内相之间的膜相即液 膜。在这一体系中, 萃取与反萃取过程在 膜相的两侧同时进 行, 它的突出特点是传质速率快。虽 然有萃取和 反萃取同时进行的优点, 但需要制乳与破乳等工序, 所以工艺过程较 为复 杂。另外膜的稳定性也不理想。近年来经过完善又出现了支 撑液膜、 包裹液膜、 静电式准液膜和大块液膜萃取等形 式, 但 其原理是一致的。国内外对液膜萃取研究较多。在我国首先是张瑞 华 研究了用液膜分离稀土元素, 继之清华大学及华南理工大学的顾忠 茂、 张秀娟教授等也做有效的工作, 笔者也进行了一些探索性研究。 但液膜萃取还未能克服其固有缺点, 在工业应用上还不太成熟, 有待 于进一步研究。 内耦合萃取反交替分离过程 ? ? 内耦合萃取反交替分离法是在静电式准液膜研究 基础上发展起来的一种新分离方法。该法利用相混合原理和流体力 学原理 , 使工业上广泛应用的混合澄清槽式的传统溶剂萃取过程具 有了液膜分 离过程的传统特性,因而与静电式准液膜萃取比较, 它有 传质效率高、工艺过程简单、设备结构简单、适应性强等特点。混 合室的上层为有机相, 在专门的械搅拌作用下,与下层料液形成高度 分散的油水乳 状液, 并在乳液之上同时保持着一个澄清层, 随 着料 液水相的不断供给 , 乳液溢入澄清室, 分相后即获得 萃余液; 负载 有机相并入澄清有机相主体, 并自动越过中间隔板进入反萃侧混合 室。在反萃侧, 混合室上层的负载有机相在专门的机械搅拌作用下 与下 层反 萃水相形成高度分散的油水乳液,并在乳液之上同时保持 着一 个澄清 水相层。随着反萃取水相的不断供给, 乳液溢入澄清室, 分相后获得反萃浓缩液, 再生有机相并入澄清有 机相主 体, 并自动 越过中间隔板, 返回萃取侧的混合室, 从而实现液膜 技术所具有的 萃取与反萃取过程在同一反应器内部自动耦合的传质过程。该技术 可望应用到矿山浸出液的富集、工业废水的处理、多元组分的 分 离等方面, 但要实现工业应用, 还需要进行更深入的研究。 非平衡溶剂萃取 ? ? ? 非平衡溶剂萃取技术是根据一些金 属元素的动力学萃取速度不同, 结合实际工作需要提出的。其原理可表述如 下: 以 v A表示 A 元素 的萃取速度, v B 表示 B 元素的萃取速度 , A 、 B二元素非平衡萃取 分离的条件是 v A v B。萃取速度( v ) 可以 用下 式表示 : v = kc 。 为了 满足 v A v B , 即 k A c A kB c B, 如果 A 、 B 元素浓度一 定时, kA 越大于 kB , 二元素的分离效 果越好。 该技术可望应 用于稀土元素及重金属的萃取分离。 在我国, 利用离心萃取器, 借助于 In 、 F e 的萃取速度不同,可将它 们分离。图 11 示出了 In 、 F e 在 硫 酸溶液中用P20 4 萃取 时萃 取 率与 萃取时 间的 关系。在 1 mi n 内, In即可达到萃取平衡, 其 萃 取率高 达 99 % 以上 ; 而 F e 则是一个慢萃取过程, 达到平衡所 需时间在 30 mi n 以上。 因此, 只要控制萃取时间在1 mi n 内, 则 可实现 In 、 Fe3+分离, 省去了传统的把 F e3+还原 F e2+来防止 铁被萃取的工序。离心式萃取 器的特点是相接触及相分离速度快, 在实际运转中可获得很好的效果。 双水相萃取 ? 双水相萃取是一种新型的液液萃取分离技 术。这种技术是由于两种高聚物分子间有 斥力存在, 即 某种分子希望在它周围的分 子是同种分子而非异 种分子, 因此, 在达 到平衡后, 就有可能分成两相, 使两种高聚 物分别富集于不同的两相中, 这种现象称 为聚合物的不相容性, 两高聚物双水相萃 取体系就 是依靠这一特 性形 成。这一萃 取技术, 会越来越多地应用于生物领域。 离子交换工艺的新发展 ? 离子交换技术是湿法冶金 的一项重要的提取、富集、 分离金属元素的技术, 有着不可取代的地位。它所以得 到广泛应用主要 有以下几个方 面的优势: ①能从贫溶液 中有效富集和回收有价金属, 如贵金属 、 铂族金属、稀 散金属、放射性元素及稀土元素; ②可纯 化化合物和分 离性质相似的元素, 如分离铌、钽、锆、稀 土元素及超 铀元素; ③ 在废水处理中有着非常重要的作用, 如矿山 废水、黑色及有色冶炼厂产生的废水、 焦化废水、 印 染废水、电镀废水、 造纸废水, 核燃 料工厂、 原子反 应堆及原子能发电厂的废水等; ④软化工业用水及纯化 生活用水。离子交换在工艺上有静态离子交 换、 动态 离子交换、清液离子交换及矿浆离子交换; 在设备上有 自动化程度很高的连续化装置。 吸附树脂 ? 吸咐树脂也称为树脂吸附剂, 它们在制造时未经 过官能团反应, 因而 不带有能交换的功能基团。 它们与活性炭、 硅胶、 氧化铝等无机吸附材料 有相似的吸附、 解吸机理。这类树脂按其结构 可分为非极 性、 弱极性、 极性及强极性 4 种 类型。常用大孔径的吸附树脂。在废水处理中, 在活性炭不易再生情下, 常用吸附树脂分离、回 收一 些物 质。由于这类树脂的 吸附能力是随 着被吸附分子的亲油性增大而增加的, 所以特别 适用于废水中酚、 油、 三 硝基甲苯( T N T ) 等 有机物的脱除, 也适用于农药、 印染、 造纸 废 水的处理。 螯合树脂 ? 螯合树脂是带有螯合功能基 团、 对特定离 子具有特殊选择性的树脂。这类 树脂与金 属离子 既能 生成离子键, 又能形成配位键。 氧化还原树脂 氧化还原树脂是指带有能与周围活性物质 进行电子交换、 发生氧化还原反应的物 质的一类树脂, 这类树脂也称为电子交换 树脂。 ? 在废 水处 理中,使用这类 树 脂 可 将 高 毒 性 的 Cr6+还 原 成 较 低 毒 性 的Cr3+。 ? 在纤维印染、 彩色 照相 及工 业废 水的 生化 处理 中都使用氧化还原树脂。 ? 两性树脂 将 2 种性质相反的阴、 阳离子功能基 ( 如一 至 四胺、磺酸、 膦酸、 羧酸等) 连接在同一树脂 骨架上, 就构成两性树脂。两性树脂骨架上的 两种功能基距离很近, 在与溶液中的阴、 阳离 子交换后, 只要稍稍改变体系的酸、 碱条 ? 件即可发生相反的水解反应, 使树脂复原, 重复 使用。由于这类树脂 内部 两种功能基距离很近, 在配合能力上与螯合树脂相似, 对许多金属具有 特殊的选择性。在处理废水中得到了广泛的应 用。 ? 蛇笼树脂 这类树脂与两性树脂相似, 在同一个树脂 颗粒内带 ? 有阴、 阳交换功能基的两种聚合物。一 种是以交联的阴离子树脂为笼, 以线型的 聚丙烯酸为蛇; 另一种是以交联的多元酸 为笼, 而以线 种情 况都像把蛇关闭于笼网中, 故形象地称它 们为蛇笼 树脂。 ? 碳化树脂 ? 这是近年来才出现的一 类新树 脂。它是 将离子交换树脂置于惰性气体保护之中, 于 6 00 ~ 9 00 高 温下碳化制得。这类 树脂的吸附性 能居于吸附树脂和活性炭 之间, 有很高的机械强度, 再生也方便。碳 化树脂的生产、应用发展很快, 这种树脂 主要用于去除废水中的有机物, 如脱酚, 对 除去芳香化合物、多卤代化合物、表面活 性剂等均有良好的效果。 磁性树脂 ? 这类树脂是在树脂颗粒上机械地粘上 Fe2 O 3 而制成。在外磁场作用下, 树脂沉降 速度加快, 便于分离。 沉降的树脂 一经 搅 拌后又可以很容易地重新分散。 由于 这类树脂在使用时需要有一个外磁场, 因 此在实际应用中受到了一定限制。 热再生树脂 ? 热再生树脂属于两性树脂, 在同 一种树脂 颗粒中 带有弱酸性和弱碱性 2 种功能 基。 这类树脂在室 温下可以吸附盐类, 而当温 度 升到 7 0 ~ 8 0 时, 吸附的盐便可解吸 出来。美国专利报道, 利用热再生树脂可 连续 除去水中溶解的氨和有机 胺。这类 树脂除 应用于废水处理, 还应用于海水淡 化。 粉状树脂 ? 在离子交换树指中, 有 一类粒度在 10 um 左 右 的 树脂, 称为粉状树 脂。这类 树脂在水中大约 有 2 0% 以悬 浮状态存在。其特 点是 在许 多 体系中都能 够稳 定的分散,交换速度比一般树 脂快 5 ~ 1 5 倍。这类 树脂易制造,成本低, 但不 易再生。用其处理废水时兼有过滤作用, 目前已 在核工业废水处理中得到应用。 除上述10 种之外, 其它还有交换纤维、交换膜、 光活性树脂、 硼树脂、 加重树脂等 特种树 脂。 它们在 废水处 理中, 虽然应用还不广泛, 但均具 有特殊的用途。 膜分离技术的新发展 膜分离是以外界能量或化学位差为推 动力, 使 双组分或多组分溶质和溶剂通过膜相互分离, 并进而提纯和富集的一种方法。近年来, 在湿 法冶金中应用的膜分离技术主要有: ? 1) 反渗透膜分离组合技术; 2) 萃取-膜组合分 离技术; 3 )配合-膜分离组合分离技术; 4) 生化 吸附-膜组合分离技术。 ? 膜分离中更为人们所重视的, 除了萃取的液膜 外, 还有支撑液膜, 支撑液膜更具有实用价值。 目前, 膜分离 技术已用 于铀的分离, 稀土的分 离与回收, 金、 铜、 锌的提取, 是一项很有潜 力的分离、 富集新技术。 ? 电解( 电沉积) 技术的新发展 ? ? ? ? ? ? ? 电解法制取金属在冶金工业中已得到广泛应用 , 与火法相比, 它环境污染少, 符合清 洁生产的要求。电解法应该发展的理论和技 术是: 1 ) 在电化学中, 离子导体是一个 专门的研究领 域 —— 离子学, 而电极 反应形成了另一门 学科 —— 电 极反应学, 它 们是现代化学的发展方向。电极反应条件、 速度和机理研究是 进电 化学工业和电 化学学科发展的重要基础; 2) 金属粉末电化学及纳米材料电化学技术是电解 法的重要新技术。 电解 法制造粉 末的优点是产品纯度高、工艺简单, 可以利用半成品、 废料作原料, 能生产不同形貌 的金属粉末。 在制备过程中, 电解法可以生产出硬而脆的沉积物、 软的海绵状沉积 物和松散黑色的沉积物。 纳米材料是高新技术材料, 电解法已成为制备纳米金属粉末及纳米迭层膜的重要方 法。 3) 电 极新 材料的开发与研制、 电解液的组成及电解条件( 例如高电流密度电解、 周 期反向电解、 悬浮电解等)是应该注意的研究内容。 4) 矿浆电解将浸出、 净 化、 电沉积结合在一 起, 使流程简化, 能耗降低, 试剂消耗 减少, 应进一步开发研 究。 5) 无电源电解是追求的 一项新技术。利用两个金属电位差产出电流来析出和沉积 金属, 构思特别先进 , 但还萌芽于实验室 阶段。 经过广大科技工作者的不断努力,有 可能真正成为一种崭新的工业技术。 6) 双金属电解。我国学者在这方面的研究已取得了一些成绩, 仍需继续努力。 粉体材料制备新技术1 金属和非金属粉末、 陶瓷粉末的制取:制取具有特殊性能的金属 粉末及 功能材 常用的方法有水溶液电解法、水溶液还原法、 沉淀法、 共沉淀法、 溶胶-凝胶( S ol -gel ) 法、 水热法、 P ec h i ni 法。 ? 水溶液电解法为制取铜、 银、 铁、 镍等金属粉末的主要方法之一。控 制 电解参数和电解质成分, 可得到不同特性、 各种粒级的铜粉, 电解产 出的 铜粉常用于电器设备的导电部件、刹车垫和自润滑轴承。 此外, R. T . C C h oo成功地用脉动电流 沉积 法 制备 出了 纳米 级镍 粉, 具有 一定工业价 值。 ? 水溶液还原法常用以制取 微电子工 业用的 贵金属 粉末。控制原始溶 液 的 成分、 还 原剂 和添 加剂 的种 类和 数量即可制得粒度、 形貌一致 的 亚微 粉末, 亦可根 据用户 要求制得同时具有 2 种不 同 形貌 的粉 末, 例如 在制 取金 粉时, 同时用羟基喹 宁和 草酸 2 种还 原剂 则可 得到 均匀 球形 和片状的混合金粉。这些粉末广泛用于微电子工业。高压氢还原法 是制 取金 属粉 末的 重要 方法 之 一, 亦可用于制取各种包覆粉, 如镍包覆在石 墨 、 铝、 WC 等核 心上的包覆粉, 铂包 覆在 Zr O2 等 材料 上的 包覆 粉, 后者 已广泛用于弥散 强化 合金。 此外, 不 少学 者亦 在广 泛研 究用水溶 液还原法制取纳米级包覆粉。 ? 粉体材料制备新技术2 ? ? Sol -gel 法、 水热法、 Pec h i ni 法都 可用于 制取 功能材 料和电 源材料。如, 锂离子电池的阳极材料及阴极材料、 铁氧体、 复合材 料、 陶瓷纤维、 光导纤维及各种微电子材料等。由于沉淀法或共 沉淀法制取的粉末具有化学成分均匀、 结构及粒度可在很大范围 内控制等特点, 因此已广泛用于制取非金属材料及陶瓷 材料粉 末。 用共沉 淀法生 产的铁氧体粉末已达工业化要求, 相 对于其 他方法, 它所 生产的 粉 末 性 能 较 优 越, 而 且 成 本 较 低。 此 外, F . A.T ou r i nh a 等用共沉淀法 在液体介质中生 产悬浮 的铁氧 体颗 粒制取液态磁 性体, S . R. S hean 等 从三 乙基 胺-草酸 盐介质中 制取具有 高温 超导 性 Ba –Y-C u -O 粉末, 都 反映 出共沉淀法在 制取新型粉末方面的巨大潜力。 沉淀法和共沉淀法的另一个 重要应 用领域 是制取 新型结构陶瓷粉 末。国内外许多学 者都研 究了用 共沉淀 法制取性能优良的部分 稳定高 温相 ZrO 2 [ Zr O2 ( Y2 O 3 ) ] 粉未, 也有一些学者 研 究了 从水 溶液 中直 接制 取烧 结性 能良好的陶瓷氧化物, 如氧 化铝、 氧化 锆等。在新 型陶瓷 材料的生产中, 沉淀法及共沉淀法都占有 重要地 位。Pech i n i 法是一种制取电源阳极材料的新方法。 电镀法的电成型及新型薄膜材料的制 备 ? ? 通过改变电解质的成分及各 种参数 可在很 大范围 内改变电积 物 成 分和 结构, 因而 从上世纪 90 年代以来, 电镀法已用于制取超 导 或半超体薄膜等新型材料, 其工简单、 成本降低。如 S . H. Paw ar 用脉 冲电积 法在基 底材料上先电积了成分为 1 - 2 -3 的 Y-Ba -C u 或 S m-Ba -C u等合金薄膜, 氧化 处理 后, 得到 90 K 以 下具 有超 导材 料的制品; V . K r i s han 等通过控制电解液 成分和电积条件 合成了 C d -Zn-S e 合金; 还 有一 些学 者用 电镀法合成了I nP等 半导体薄膜。 这些材料在日光电池、 薄膜晶体管和光电元件中都 有应用, 因 此, 电镀已超出原有的应用范围,成为了制取新型材料的 重要方法之一。 电镀法的另外 一个 新成 就是 用于 制件 的成 型, 特 别是对某些加 工困难的复杂制件, 如 某些医 疗器件、 印刷 板等, 它发挥了 很好 的成 型 作用。 用于 成型 的 金属 有 C u、Ni 、 C r、 A u、 A g、 Pt 、 Pd 及其合金等, 成型的特 点是: 通过 控制电积参数和电解 质 组 成, 可 在很 大范 围内 调节 制件 的性质( 如脆性、 硬 度 等) , 同 时 可在 制 件 中 嵌入 非 金 属 组分, 制品尺寸控制精度高, 而且成 本较低。 化学镀(亦称非电电镀) ? 化学镀是利用基底材料本身的催化作 用, 在含有金属离子和还原剂( 如联 胺、 次磷酸 等) 的溶液中, 使金属离子优先在基底上还原沉积形 成镀层。 化 学镀的 特点是 形成的镀层比电镀镀 层更 均匀 , 特别 是能 在非 金属 材 料 如陶瓷等的表面直接 得到 金属 镀层 , 目前 已用 于在 各种 表面沉积镍、 钯、 铂等金属或其 合金镀 层。例如在 发动机 某些部件表面镀 C o Zn P 膜或 N i Zn P 膜, 这两种膜的耐腐性能优于电镀膜。化学镀亦 用于 制取弥 散于某 些非金属材料的复合膜, 例如在镍镀层中含 S i C、 聚 四氟乙烯、 钻石等的颗粒, 这些分散颗粒可改善膜的耐磨性能或其它物理 性能。近年来, 人 们亦 研究 成功 用莱 塞诱 发上 述金属离子的还原反应, 使之选择 性地在 基底材 料上还 原沉积,大大提高了化学镀的精密性。此 外, 随着材 料学 科的 发展, 涌 现了 许 多新 材 料, 而湿法冶金技术则是制 取这些 新材料 的重要 手段。如人 们普遍认为纳 米材 料 的 发展 可 能给 材 料工 业 带 来重 大 变革, 而湿法冶 金技 术则 是制 取纳 米材 料的 基本 原 料 ——纳米级粉末的主要手段。 目前, 应用湿法冶金技术已能有效地 在相当大的规模下制取 多种纳 米粉末, 包括 镍、 钛及类似金属的粉末及 M oS 2 、 T i O 2 粉末 等。仿生材料是一种人们很感兴趣 的新 兴 材料, 而 仿生 材料 所需 的许 多原始材料如特种性能和形状的 粉末需用 湿法冶 金方法 制备。因此, 湿法 冶金 中的 一些 方法 对材 料学 科的发展发挥了 很好的促进作用。 湿法冶金的发展方向及展望 ? 冶金科学与技术的诞生和发展始终与冶金工业的大规模生产息 息 相 关。目前, 冶金工业仍是国家最重要的基础工业之 一。随着社会 的发展, 人们已经意识到大自然赋予的矿产资源是有限的, 并且, 作 为国民 经济重 支柱产业之一的冶金工业是消耗大量物质与能源的 行业, 也是重大的环境污染源之一。 因此, 如何有效利用现有资源、 开发新资源、 改善环境是冶金工业至关重要的问题, 也是冶金科技 工作者重要的研究任务 。在 21 世纪, 我国湿法冶金 技术的研究与 发展应遵循可持续发展及循环的要求, 结合国家的需要, 针对我国矿 产资源现状合理开发与综合利 用, 不断扩展应用领域, 建立清洁无 污染的生产工 艺, 为国家经济建设提供各种必需的优质材料。同时, 也要根据学科本身 发展的特点, 重视湿法冶金技术的基础研究, 提 高研究水平和高度。 我国广大湿法冶金工作者在这方面还任重而 道远。 湿法冶金需加强如下几方 面的研究: ? ? ? ? ? ? 1) 完善现有的工艺流程, 开发 先进的 工艺流程 , 提 高 有价金属回收率和资源综合利用率; 2) 加强环境保护, 减少污染, 实现清洁生产; 3) 加强综合利用研究, 有效回收资源( 包括二次资源) ; 4) 开发各种冶 金新 材料 ( 包括 各种 高新 材料 ) , 为 其 他高科技领域提供性能良好、 价格低廉的 优质材料; 5) 开 展计算机专家系统开发工作, 并加强其在湿法冶金 中的应用, 提高生产过程自动化程度; 同时大力加强设备 的研制工作, 极大限度地提高劳动生产率; 6) 借助相互渗透的其他学科加强湿法冶金基础理论研究, 使已有理论更加深化, 同时用科学的世界观、以创新思 想开辟高层次的新理论, 加快湿法冶金技术向前发展。

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