湿法冶金（包括Zn、Mn、Cu、Ni、Co等）除铁的几种主要方法

第24卷第2期 2O06年5月 中 国 锰 业 CHINA S MANGANESE INDUSTRY V01．24№ 2 May 2006 湿法冶金(包括 Zn，M n，C u，Ni，C o 除铁的几种主要方法 张文山，石朝军，梅光贵 (中南大学 冶金科学与工程学院，湖南 长沙 410083) 等) 摘 要：论述了湿法冶金除铁的几种主要方法，包括中和水解法、黄钾铁矾法与针铁矿法除铁的化学 反应、热力学分析及技术条件等。 关键词：湿法冶金；除铁；中和水解法；黄钾铁矾法；针铁矿法 中图分类号：TF1 l 1．3 文献标识码：B 文章编号：1002—4336(2006)02—0040—03 锰矿及有色金属矿通常与铁的化合物伴生，浸 出过程中有价金属进入溶液时，铁也不同程序地进 人溶液。为了获得高质量的金属电积产品以及高的 电流效率，必须首先将溶液中的铁除尽。目前水溶 液中常用的几种主要除铁方法如下： 1 中和水解法 1．1 中和水解除铁的化学反应与热力学分析 对于电极反应： Fe +2e=Fe (I) 舻 ／Fe= = 44 V 对于离子之J司的电极反应 ： Fe +e=Fe2 (工a) ~0Fe3+／Fe2+_0．7706+0-059l l0g 对于下列反应： Fe(OH)2+2 H =Fe2 +2 H2O (II) = 64 pH：6．64一 1 l0ga Fe 类似可求出下列反应的pH。和 pH为： Fe(OH)3+3 H ：Fe3 +3 H2O (II a) pH 1．617，pH =1．617一 1 l。g F 3 反应： Fe(OH)2+2 H +2 e=Fe+2 H2O (Ⅲ) 收稿13期：2006一Ol一29 作者简介：张文山(1962一)，男，河南社旗人，副教授，博士 一 0·047—0-059 l pH 反应 ： Fe(OH)3+3 H +e=Fe +3 H2O (Ⅲ a) = 1．057—0．177 3 pH一0．059 1 logaF。 反应： Fe(OH)3+H +e=Fe(OH)2+H20 (Ⅳ) = 0．271—0．059 1 pH 根据上述(工)(Ⅱ)(m)反应的 、稿、p 与(工a) (Ⅱa)(ma)及(Ⅳ)反应的 和pH。值，我们就可以作 出一个完整的Fe—H2O系 一pH图(注意：这里均假 定：除H 外，其他物质活度都等于 1)，见图 1。 25℃．口=1 图 1 Fe—H2O系(p—pH 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 张文山等：湿法冶金(包括Zn、Mn、Cu、Ni、Co等)除铁的几种主要方法 41 一 pH图中一般都绘有标志着水稳定性的(a) (O2)线和(b)(H2)线。 从图1看出，图中(工)(Ⅱ)(Ⅲ)线将整个 Me— H2O系划分为 Me”，Me(OH)2和 Me 3个区域。 而这3个区域也就构成了湿法冶金的浸出、净化和 电积过程所需要的稳定区域。 除铁采用的中和水解法，就是调节溶液中的 pH，使主体金属离子不水解，而 Fe离子因为pH超 过了(Ⅱ)线而呈 Fe(OH) 沉淀析出。 由图 1可知，Fe3 水解 DH0值为 1．617，远远低 于Fe2 水解pH0值6．64，故一般均将 Fe 氧化为 Fe 再进行水解除 Fe。在湿法冶金中广泛使用的 氧化剂是 MnO 与空气。 1．2 中和水解净化除铁的应用 例如在锰的湿法冶金中，浸出液含有铁与重金 属杂质，Fe 的氧化在浸出槽中进行，加入MnO2矿 粉，使Fe2 氧化为Fe¨ ，氧化时间0．5—1 h，氧化后 液[Fe ]<1 Illg／L，在原槽中加人中和剂氨水使矿 浆pH达6．5～7．0，此时 Fe3 全部水解沉淀，达到 除铁目的。同时重金属离子大部分也水解沉淀，杂 质SiO2大部分随同 Fe(OH)3沉淀进入到浸出渣 中。Mn 也有少量水解沉淀，这就要求必须很好地 控制水解除铁 pH值，减少 Mn的损失。该法主要 优点是操作简单，因此，应用广泛。 2 黄钾铁矾法 2．1 黄钾铁矾除铁的化学反应与热力学分析 KFe3(SO4)2(OH)6+8 H =K +3 Fe3 + 2 HSO4一+6 n20 反应的 pH。：当 25℃时为 一1．738，当 100℃时为 一2．052。即温度升高，有利于铁的沉 出。 理论上黄钾铁矾中的 K 可以用 Na 、NH 、 Pb¨ 、Ag 等代用，但实际工业上认为最经济的是 Na 和 NHd 。 黄钾铁矾除铁的 一pH图见图2。 从图2可知，黄钾铁矾是一种很稳定的复杂的 难溶电解质，它的稳定区最大，Fe2O3，ZnO·Fe2O， FeAsO4，In2O3，In(OH)3等物质都包括在它的稳定 区之内，也就是说，在 K 和 HSO 一存在的条件下， 可以进行下列固态铁化物之间的相变反应，生成稳 定的黄钾铁矾。 (t=100℃，口=1 mol／L) 图2 黄钾铁矾沉铁 (p—pH图 3 Fe203+2 K++4 HSO4一+2 H++3 H2O= 2 KFe3(SO4)2(OH)6 3 ZnO。Fe203+2 K +4 HSOd一+8 H = 2 KFe3(SO4)2(OH)6+3 Zn 2．2 黄钾铁矾法除铁的应用 黄钾铁矾法只能除去Fe3 而不能除去Fe ，故 首先要加入氧化剂使 Fe2 氧化为Fe3 。其主要应 用于湿法炼 Zn中的铁锌分离，同时也可以在 Cu、 Mn、Ni、Co湿法冶金除Fe中应用。 铁矾法的除铁条件是：90 95℃，pH值为 1～ 2．0，添加晶种，4～5 h。 铁矾法的优点是：无需还原可直接沉铁，带走了 sOj一，有利于湿法冶金系统的酸平衡。 3 针铁矿法 3．1 针铁矿法除铁的化学反应与热力学分析 FeOOH+3 H =Fe3 +2 H2O 反应的平衡 pH0：当 25℃时为 ～0．315 4，当 8O℃时为 一0．870 4。 针铁矿沉铁的原理见图3。 从图3看出，当100℃时，与 Fe2(SO4)3浓度相 适应所形成的铁化合物是： 在非常稀的溶液中析出a—FeOOH(针铁矿)， 在浓溶液中析出Fe2(SO4)3·5 Fe2O3·l5 H2O(碱式 硫酸铁)，在很浓液中析出4 Fe2(SO4)3·5 Fe2O3·27 维普资讯 http://www.cqvip.com 42 中 国 锰 业 第 24卷 4 3 誊 2 ∞ l Fe／‰ 100 oC 图 3 SO3一Fe203～H20系平衡 H20(草黄铁矾)相当于 6个[(H30)Fe3(S04)2 (on)6] 即从高浓度 Fe 溶液中直接析出的铁化物是 胶体的草黄铁矾，而从很低浓度 Fe3 溶液中却能沉 淀析出结晶状的针铁矿a—FeOOH。 3．2 针铁矿法除铁的应用 针铁矿法除铁的条件为： Fe“