CN108588414A - 一种用于同步回收金属与单质硫的装置 - Google Patents

一种用于同步回收金属与单质硫的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于同步回收金属与单质硫的装置，尤其是一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置，属于废物资源化技术领域。此装置包含阳极室1、第一阴极室2、第二阴极室3、阳离子交换膜4、阴离子交换膜5、阳极6、第一溶液7、混合菌液8、第一阴极9、第二溶液10、第二阴极11、第三溶液12、第一钛丝13以及第二钛丝14。使用此装置可以同步完成硫化矿尾矿浸出以及金属、硫元素回收，且金属回收率最高可达90.2％，单质硫回收率最高可达55.4％。

Description

一种用于同步回收金属与单质硫的装置
技术领域
本发明涉及一种用于同步回收金属与单质硫的装置，尤其是一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置，属于废物资源化技术领域。
背景技术
矿产资源是人类生存以及社会经济发展的重要组成部分，然而矿产资源的开发在为社会发展带来有利影响的同时，也引发诸多问题。其中，矿产资源开采过程中因资源利用率低下而产生的矿山尾矿已对环境造成日益严重的危害，因此，如何高效处理矿山尾矿成为亟待解决的环境问题之一。
传统的矿物冶金工艺运行成本高昂、能耗大，且仅适用于开发利用高品位矿石，因此，对于现阶段日益增加的低品位矿石、矿山固体废弃物及尾矿，传统工艺显然已不再适用。多年来，各国研究人员致力于寻找高效、经济且环境友好的低品位贫矿或尾矿处理工艺以取代传统技术，湿法冶金技术应运而生。
湿法冶金根据微生物作用的不同可分为微生物吸附、微生物累积和微生物浸出，其中，微生物浸出因较好地满足了冶金工艺的发展需求而得到广泛应用，处理效果较好，但该技术尚存在处理周期长、浸出组分抑制浸矿微生物活性、浸出效率低等问题。
微生物燃料电池就属于微生物浸出技术的一种，其因成本低、金属回收率高、产品纯度高、无二次污染并可回收污水或固体废弃物中的化学能，将其转化为电能等优势，已成为当前环境生物技术领域的研究热点，有关MFC技术的研究日新月异，其应用领域正在快速拓展，MFC已成为具有极大潜在应用价值的污染治理及生物质能转化技术之一。
现已有采用双室微生物燃料电池装置浸出硫化矿贫矿或尾矿中金属、其浸出液在另一个单室微生物燃料电池中沉淀回收金属的报道，但是，此装置依旧存在金属离子需经浸出与沉淀两步才能回收、工艺流程复杂、无法实现金属离子与单质硫的同步回收等缺陷，而本发明尝试利用双室微生物燃料电池装置一步法浸出与沉淀金属、同步回收单质硫，为尾矿治理提供一种全新的思路。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置，利用此装置可以同步完成硫化矿尾矿浸出与金属、硫元素的回收，且金属回收率最高可达90.2％，单质硫回收率最高可达55.4％。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置，所述装置包含阳极室(1)、第一阴极室(2)、第二阴极室(3)；所述阳极室(1)与第一阴极室(2)通过阳离子交换膜(4)相隔开；所述阳极室(1)与第二阴极室(3)通过阴离子交换膜(5)相隔开；所述阳极室(1)包含阳极(6)、第一溶液(7)以及混合菌液(8)；所述第一阴极室(2)包含第一阴极(9)和第二溶液(10)；所述第二阴极室(3)包含第二阴极(11)和第三溶液(12)；所述阳极(6)与第一阴极(9)、第二阴极(11)分别通过第一钛丝(13)、第二钛丝(14)相连接。
在本发明的一种实施方式中，所述阳极室(1)、第一阴极室(2)与第二阴极室(3)的有效容积均为28mL。
在本发明的一种实施方式中，所述阳极(6)、第一阴极(9)与第二阴极(11)的材料为碳毡、碳布、石墨、碳毡改性修饰材料、碳布改性修饰材料或石墨改性修饰材料。
在本发明的一种实施方式中，所述阳极(6)、第一阴极(9)与第二阴极(11)的材料为碳毡。
在本发明的一种实施方式中，所述第一溶液(7)为酸溶液和/或碱溶液。
在本发明的一种实施方式中，所述第一溶液(7)为稀硫酸和氢氧化钠。
在本发明的一种实施方式中，所述第一溶液(7)为5％的稀硫酸和5％的氢氧化钠。
在本发明的一种实施方式中，所述第一溶液(7)的pH为2.5。
在本发明的一种实施方式中，所述混合菌液(8)为包含氧化硫硫杆菌与氧化亚铁硫杆菌的混合菌液。
在本发明的一种实施方式中，所述第二溶液(10)和第三溶液(12)为pH缓冲液。
在本发明的一种实施方式中，所述第二溶液(10)和第三溶液(12)为浓度为50mmol/L的pH缓冲液。
在本发明的一种实施方式中，所述第二溶液(10)和第三溶液(12)为浓度为50mmol/L的柠檬酸缓冲液。
在本发明的一种实施方式中，所述第二溶液(10)的pH值为3.5～5.8。
在本发明的一种实施方式中，所述第二溶液(10)的pH值为4.0～5.5。
在本发明的一种实施方式中，所述第三溶液(12)的pH值为2.9～4.1。
在本发明的一种实施方式中，所述第三溶液(12)的pH值为3.3～3.8。
本发明提供了上述一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置在回收金属、治理环境方面的应用。
本发明提供了上述一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置的使用方法，所述使用方法为将硫化矿尾矿溶液倒入阳极室(1)。
在本发明的一种实施方式中，所述硫化矿尾矿溶液的浓度为1～100g/L。
在本发明的一种实施方式中，所述硫化矿尾矿溶液的浓度为20～50g/L。
在本发明的一种实施方式中，所述硫化矿尾矿包含硫化铁矿尾矿、硫化铜矿尾矿、硫化锌矿尾矿、硫化银矿尾矿。
在本发明的一种实施方式中，所述硫化铁矿尾矿为硫化铁矿尾矿。
在本发明的一种实施方式中，所述硫化矿尾矿溶液倒入阳极室(1)后，需充氮气10min后密封，使阳极室(1)处于厌氧状态。
在本发明的一种实施方式中，所述一种用于同步回收金属与单质硫的装置运行过程时，需先使得第一钛丝(13)闭合、第二钛丝(14)断开，再使得第一钛丝(13)断开、第二钛丝(14)闭合，整个运行过程中，断开闭合的动作需不断交替。
本发明提供了上述一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置的使用方法在回收金属、治理环境方面的应用。
有益效果：
(1)使用本发明装置可使铁离子的回收率高达90.2％，单质硫的回收率最高可达55.4％
(2)本发明装置中，来自硫化矿尾矿中二价硫氧化产生的电子分别在第一阴极室与第二阴极室被消耗，同时分别产生氢氧根与单质硫沉淀，同步完成尾矿浸出和硫化矿中金属与硫元素的回收，处理周期短，工艺流程简单，运行成本低。
(3)本发明装置中，阳极硫化矿氧化浸出不断产生金属离子与硫酸根离子，它们分别透过阳离子交换膜和阴离子交换膜到达第一阴极室与第二阴极室，并不断消耗，不存在随浸出时间延长金属离子与硫酸根离子浓度不断升高、反馈抑制阳极浸出微生物活性进而降低总体浸出率的问题，阳极浸出过程可持续进行，显著提高尾矿中金属元素的回收率。
(4)本发明装置中，阳极硫化矿氧化浸出产生的硫酸根离子不断透过阴离子交换膜达到第二阴极室，并在阴极还原为单质硫，沉淀析出，在回收尾矿中金属元素的同时，可从尾矿中回收单质硫。
(5)本发明装置中，阳极氧化反应产生的质子透过阳离子交换膜到达第一阴极室，与氢氧根沉淀形成的质子一起和氧气结合生成水，缓解设备酸腐蚀，没有二次污染。
附图说明
图1为本发明一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置的示意图；
其中，阳极室1、第一阴极室2、第二阴极室3、阳离子交换膜4、阴离子交换膜5、阳极6、第一溶液7、混合菌液8、第一阴极9、第二溶液10、第二阴极11、第三溶液12、第一钛丝13以及第二钛丝14。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1，本发明提供的一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置包含阳极室1、第一阴极室2、第二阴极室3；所述阳极室1与第一阴极室2通过阳离子交换膜4相隔开；所述阳极室1与第二阴极室3通过阴离子交换膜5相隔开；所述阳极室1包含阳极6、第一溶液7以及混合菌液8；所述第一阴极室2包含第一阴极9和第二溶液10；所述第二阴极室3包含第二阴极11和第三溶液12；所述阳极6与第一阴极9、第二阴极11分别通过第一钛丝13、第二钛丝14相连接。
作为进一步的优选，所述阳极室1、第一阴极室2与第二阴极室3的有效容积均为28mL。
作为进一步的优选，所述阳极6、第一阴极9与第二阴极11的材料为碳毡、碳布、石墨、碳毡改性修饰材料、碳布改性修饰材料或石墨改性修饰材料。
作为进一步的优选，所述阳极6、第一阴极9与第二阴极11的材料为碳毡。
作为进一步的优选，所述第一溶液7为酸溶液和/或碱溶液。
作为进一步的优选，所述第一溶液7为稀硫酸和氢氧化钠。
作为进一步的优选，所述第一溶液7为5％的稀硫酸和5％的氢氧化钠。
作为进一步的优选，所述第一溶液7的pH为2.5。
作为进一步的优选，所述混合菌液8为包含氧化硫硫杆菌与氧化亚铁硫杆菌的混合菌液。
作为进一步的优选，所述第二溶液10和第三溶液12为pH缓冲液。
作为进一步的优选，所述第二溶液10和第三溶液12为浓度为50mmol/L的pH缓冲液。
作为进一步的优选，所述第二溶液10和第三溶液12为浓度为50mmol/L的柠檬酸缓冲液。
作为进一步的优选，所述第二溶液10的pH值为3.5～5.8。
作为进一步的优选，所述第二溶液10的pH值为4.0～5.5。
作为进一步的优选，所述第三溶液12的pH值为2.9～4.1。
作为进一步的优选，所述第三溶液12的pH值为3.3～3.8
本发明提供的一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置的使用方法为将硫化矿尾矿溶液倒入阳极室1。
作为进一步的优选，所述硫化矿尾矿溶液的浓度为1～100g/L。
作为进一步的优选，所述硫化矿尾矿溶液的浓度为20～50g/L。
作为进一步的优选，所述硫化矿尾矿包含硫化铁矿尾矿、硫化铜矿尾矿、硫化锌矿尾矿、硫化银矿尾矿、硫化铝矿尾矿。
作为进一步的优选，所述硫化矿尾矿为硫化铁矿尾矿。
作为进一步的优选，所述硫化矿尾矿溶液倒入阳极室1后，需充氮气10min后密封，使阳极室1处于厌氧状态。
作为进一步的优选，所述一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置的装置运行过程时，需先使得第一钛丝13闭合、第二钛丝14断开，再使得第一钛丝13断开、第二钛丝14闭合，整个运行过程中，断开闭合的动作需不断交替。
下面以硫化铁矿中的磁黄铁矿和硫化铜矿中的黄铜矿为例，进一步阐述本发明，以下实施例便于更好地理解本发明，但并未涵盖和穷尽了发明人所做的所有实验，目的仅仅在于用那些数据来阐述本发明界定方法的直观性和准确性。
本发明涉及的检测方法如下：
铁离子浓度的检测方法：采用铁的测定-火焰原子吸收分光光度法(GB 11911-89)进行测定，铁的回收率为R1(％)：
R1＝(mFe/mpv)*100％
其中，mFe为第一阴极室沉淀物中铁元素的质量(mg)，mpv为原始磁黄铁矿(FeS)尾矿中铁元素的质量(mg)。
铜离子浓度的检测方法：采用电感耦合等离子体质谱法(HJ 700-2014)进行测定，铜的回收率为R1(％)：
R1＝(mCu/mpv)*100％
其中，mCu为第一阴极室沉淀物中铜元素的质量(mg)，mpv为原始黄铜矿(CuS)尾矿中铜元素的质量(mg)。
硫酸根离子浓度的检测方法：采用无机阴离子的测定-离子色谱法(HJ/T 84-2001)进行测定，单质硫的回收率为R2(％)：
R2＝(mS/mpv)*100％
其中，mS为第二阴极室沉淀物中硫元素的质量(mg)，mpv为原始磁黄铁矿(FeS)尾矿中硫元素的质量(mg)。
实施例1
令本发明装置第二溶液10的pH分别为2.2、3.5、4.5、5.8与6.5，第三溶液12的pH为3.5，将浓度为25g/L的磁黄铁矿尾矿溶液倒入上述装置中，待装置运行结束后，测定铁与硫元素回收率。(测定结果如表1)
表1溶液10的pH对有价元素回收率的影响
溶液10的pH 2.2 3.5 4.5 5.8 6.5
铁的回收率(％) 41.2 66.4 89.4 72.1 38.2
硫的回收率(％) 22.3 35.6 49.6 39.0 20.8
实施例2
令本发明装置第二溶液10的pH为4.5，第三溶液12的pH分别为2.5、3.5、4.5、5.5与6.5，将浓度为25g/L的磁黄铁矿尾矿溶液倒入上述装置中，待装置运行结束后，测定铁与硫元素的回收率。(测定结果如表2)
表2溶液12的pH对有价元素回收率的影响
溶液12的pH 2.2 3.5 4.5 5.5 6.5
铁的回收率(％) 45.7 86.9 66.6 42.1 30.2
硫的回收率(％) 29.3 50.3 43.6 30.0 18.8
实施例3
令本发明装置第一溶液10与第二溶液12的pH分别为4.5与3.5，分别用阳离子交换膜、阴离子交换膜与质子交换膜作为隔离阳极室1和阴极室2的材料，用阴离子交换膜作为隔离阳极室1和阴极室3的材料，将浓度为25g/L的磁黄铁矿尾矿溶液倒入上述装置中，待装置运行结束后，测定铁与硫元素的回收率。(测定结果如表3)
表3阳极室1与阴极室2分隔材料对有价元素回收率的影响
分隔材料 阳离子交换膜 阴离子交换膜 质子交换膜
铁的回收率(％) 88.7 16.5 46.5
硫的回收率(％) 52.3 29.4 38.9
实施例4
令本发明装置第一溶液10与第二溶液12的pH分别为4.5与3.5，用阳离子交换膜作为隔离阳极室1和阴极室2的材料，分别用阳离子交换膜、阴离子交换膜与质子交换膜作为隔离阳极室1和阴极室3的材料，将浓度为25g/L的磁黄铁矿尾矿溶液倒入上述装置中，待装置运行结束后，测定铁与硫元素的回收率。(测定结果如表4)
表4阳极室1与阴极室3分隔材料对有价元素回收率的影响
分隔材料 阳离子交换膜 阴离子交换膜 质子交换膜
铁的回收率(％) 45.7 90.2 40.2
硫的回收率(％) 10.6 51.8 6.8
实施例5
令本发明装置第一溶液10与第二溶液12的pH分别为4.5与3.5，用阳离子交换膜作为隔离阳极室1和阴极室2的材料，用阴离子交换膜作为隔离阳极室1和阴极室3的材料，将浓度为1g/L、20g/L、50g/L、80g/L与100g/L的磁黄铁矿尾矿溶液倒入上述装置中，待装置运行结束后，测定铁与硫元素的回收率。(测定结果如表5)
表5磁黄铁矿浓度对有价元素回收率的影响
磁黄铁矿浓度(g/L) 1 20 50 100 150
铁的回收率(％) 68.7 88.9 90.1 76.5 32.3
硫的回收率(％) 40.5 55.4 54.2 48.9 19.8
实施例6
令本发明装置第一溶液10与第二溶液12的pH分别为4.5与3.5，用阳离子交换膜作为隔离阳极室1和阴极室2的材料，用阴离子交换膜作为隔离阳极室1和阴极室3的材料，将浓度为25g/L的黄铜矿尾矿溶液倒入上述装置中，待装置运行结束后，铜与硫元素的回收率分别为85.6％与58.3％。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置，其特征在于，所述装置包含阳极室(1)、第一阴极室(2)、第二阴极室(3)；所述阳极室(1)与第一阴极室(2)通过阳离子交换膜(4)相隔开；所述阳极室(1)与第二阴极室(3)通过阴离子交换膜(5)相隔开；所述阳极室(1)包含阳极(6)、第一溶液(7)以及混合菌液(8)；所述第一阴极室(2)包含第一阴极(9)和第二溶液(10)；所述第二阴极室(3)包含第二阴极(11)和第三溶液(12)；所述阳极(6)与第一阴极(9)、第二阴极(11)分别通过第一钛丝(13)、第二钛丝(14)相连接。
2.如权利要求1所述的一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置，其特征在于，所述第一溶液(7)的pH为2.5。
3.如权利要求1或2所述的一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置，其特征在于，所述混合菌液(8)为包含氧化硫硫杆菌与氧化亚铁硫杆菌的混合菌液。
4.如权利要求1-3任一所述的一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置，其特征在于，所述第二溶液(10)和溶液(12)为pH缓冲液。
5.如权利要求1-4任一所述的一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置，其特征在于，所述第二溶液(10)的pH值为3.5～5.8。
6.如权利要求1-5任一所述的一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置，其特征在于，所述第三溶液(12)的pH值为2.9～4.1。
7.权利要求1-6任一所述的一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置的使用方法，其特征在于，所述使用方法为将硫化矿尾矿溶液倒入阳极室(1)。
8.如权利要求7所述的一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置的使用方法，其特征在于，所述硫化矿尾矿溶液倒入阳极室(1)后，需充氮气10min后密封，使阳极室(1)处于厌氧状态。
9.如权利要求7或8所述的一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置的使用方法，其特征在于，所述一种用于同步回收金属与单质硫的装置运行过程时，需先使得第一钛丝(13)闭合、第二钛丝(14)断开，再使得第一钛丝(13)断开、第二钛丝(14)闭合，整个运行过程中，断开闭合的动作需不断交替。
10.权利要求1-6任一所述的一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置或权利要求7-9任一所述的一种用于同步回收硫化矿尾矿中金属与单质硫的装置的使用方法在回收金属、治理环境方面的应用。
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