CN110964923A

CN110964923A - 一种多场耦合下深度置换提铜的装置与方法

Info

Publication number: CN110964923A
Application number: CN201911346605.5A
Authority: CN
Inventors: 曾伟志; 丁文杰; 晏阳; 刘山; 李博; 李垦
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: CN110964923B

Abstract

本发明公开了一种多场耦合下深度置换提铜的装置与方法，该装置，包括阳极锌板、阴极铝板、反应槽、过滤槽、直流电源和恒温装置；所述反应槽的一侧设置有出流管，另一侧设置有入流管；所述过滤槽内通过滤网分隔成滤渣室和滤液室，所述滤液室通过循环管与入流管连通，所述循环管上设置有循环泵。本发明与传统锌浸液锌粉净化除铜工艺相比，采用锌板与温、流、电场相组合的方式进行目标金属置换，实现了置换后锌铜的高效分离。可使用多种控制系统直接对反应进行控制操作，具有反应彻底，锌粉消耗量降低，处理成本降低，提铜效率高、产出铜渣含量高的优点，便于后续深度处理。整体装置与工艺简单可靠，易于实现工业化生产，具有良好的经济与环保效益。

Description

一种多场耦合下深度置换提铜的装置与方法

技术领域

本发明涉及湿法清洁冶金技术领域，具体涉及一种多场耦合下深度置换提铜的装置与方法。

背景技术

铜作为主要的有色冶金工业生产中的最为常见的金属，其离子在有色冶金废料尤其是废液中广泛存在。但由于其具有较高的生物毒性，对动植物以及生态环境有着较大的影响，因此通常在湿法有色冶金中通过各类清洁生产方法将其进行分离与提取。目前在冶金废液中提铜的方法主要有锌粉置换，萃取分离，电积等。其中对于金属提取最广泛的工艺当属锌粉置换，即利用锌的活性远大于铜，加入的锌粉作为微电池的阳极溶入液相，在溶液中发生置换作用，继而向溶液深处扩散并参与溶液的对流运动,使活性较差的金属铜置换出来。

传统的直接锌粉置换存在很多问题，如反应速度慢；制得的铜表面较疏松，表面容易吸附锌粉颗粒，杂质难于洗净等；搅拌使铜渣聚集成团时，易把锌粉包夹在铜渣颗粒内，加上硫酸锌溶液一起被包夹，得到的铜渣纯度较低，进一步造成锌粉反应并不完全，使得锌粉消耗量大，难以满足一般精炼铜生产的质量要求；而电积法提铜能够有效地回收Cd，Zn，Cu等有价金属，得到纯度很高的产品铜渣，但工艺流程长、工序多，且必须要有一系列的电解系统，投资成本很高，投资回收期较长，同时电解沉积过程电耗较高，周期长，电流效率不高，一般用于锌粉置换后粗铜的精炼。铜浸出液的萃取分离适用于低浓度铜的提取，且其对有机试剂的要求相对较高。为此寻找一种操作简单，提铜效率高且产品纯度高又对环境影响小的工艺方法十分必要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于针对传统锌粉置换提铜工艺中存在的锌粉消耗量大、原料要求高、流程长、成本高、产品纯度不高的问题，提供一种操作简单、成本低、提铜效率高、产品铜渣的纯度高、易于工业化的多场耦合下深度置换提铜的装置与方法。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种多场耦合下深度置换提铜的装置，包括阳极锌板、阴极铝板、反应槽、过滤槽和直流电源；所述阳极锌板和阴极铝板分别插接在反应槽的两侧且二者通过导线与直流电源电连接；所述反应槽的一侧侧壁底部设置有出流管，另一侧侧壁顶部设置有入流管，反应槽外部设置有恒温装置；所述过滤槽设置在反应槽出流管的一侧，过滤槽内通过滤网分隔成上下布置的滤渣室和滤液室，所述滤渣室与出流管连通，所述滤液室通过循环管与入流管连通，所述循环管上设置有循环泵。

进一步，所述反应槽顶部的一侧并列设置有溢流槽。

进一步，所述恒温装置为外套于反应槽的电加式恒温加热箱或均布于反应槽外壁的电加热式加热片。

进一步，所述阳极锌板和阴极铝板的厚度一致，均控制在0.3-0.8毫米。

进一步，所述阳极锌板与阴极铝板的间距为2-6厘米。

进一步，所述反应槽内设置有用于卡接固定阳极锌板和阴极铝板的极板卡槽。

进一步，阳极锌板的纯度为85—95％，阴极铝板的纯度为80％-99％，阴极铝板与阳极锌板的面积比为0.8-1.2:1。

本发明的有益效果：本发明的多场耦合下深度置换提铜的装置，包括阳极锌板、阴极铝板、反应槽、过滤槽和直流电源；所述阳极锌板和阴极铝板分别插接在反应槽的两侧且二者通过导线与直流电源电连接；所述反应槽的一侧侧壁底部设置有出流管，另一侧侧壁顶部设置有入流管，反应槽外部设置有恒温装置；所述过滤槽设置在反应槽出流管的一侧，过滤槽内通过滤网分隔成上下布置的滤渣室和滤液室，所述滤渣室与出流管连通，所述滤液室通过循环管与入流管连通，所述循环管上设置有循环泵。本发明与传统锌浸液锌粉净化除铜工艺相比，采用锌板与温、流、电场相组合的方式进行目标金属置换，实现了置换后锌铜的高效分离。可使用多种控制系统直接对反应进行控制操作，具有反应彻底，锌粉消耗量降低，处理成本降低，提铜效率高、产出铜渣含量高的优点，便于后续深度处理。整体装置与工艺简单可靠，易于实现工业化生产，具有良好的经济与环保效益。

另一方面，本申请还提供了一种采用上述装置进行深度置换提铜的方法，包括如下步骤：

S1：将含铜锌的待置换料液添加到反应槽中；

S2：设置反应条件：调节料液循环速度、调节pH值以及调节反应温度；

S3：阳极锌板和阴极铝板在反应槽内自然反应1-5小时后开启电场辅助进行深度置换反应，耦合电场后的反应时间为2-4小时；

S4：通过过滤槽进行固液分离后收集反应后的铜渣。

进一步，料液循环速度控制在100-500ml/s，pH控制在1-5，反应温度控制在40-80℃。

由于该方法采用上述的装置，具有与上述装置相应的技术效果，兹不赘述。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明装置的俯示意图；

图2为反应槽的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明，如图1-2所示：本发明提供了一种多场耦合下深度置换提铜的装置，包括反应槽3、阳极锌板1、阴极铝板2、过滤槽4和直流电源5。

所述反应槽3顶部的一侧并列设置有带溢流管的溢流槽12，反应槽3内部的两侧设置有极板卡槽。所述反应槽3的一侧侧壁底部设置有出流管6，另一侧侧壁顶部设置有入流管7。所述反应槽的外部设置有恒温装置8，所述恒温装置为外套于反应槽的电加式恒温加热箱或均布于反应槽外壁的电加热式加热片，本实施例中，恒温装置为外套于反应槽的电加式恒温加热箱，通过恒温加热箱可对反应过程进行恒温控制。

所述阳极锌板1和阴极铝板2分别插接固定在两侧的极板卡槽内，阳极锌板1和阴极铝板2通过导线与直流电源5电连接，直流电源可对反应过程提供辅助电场。所述阳极锌板和阴极铝板的厚度一致，均控制在0.3-0.8毫米；阳极锌板与阴极铝板的间距为2-6厘米。阳极锌板的纯度为85—95％，阴极铝板的纯度为80％-99％，阴极铝板与阳极锌板的面积比为0.8-1.2:1。

所述过滤槽4设置在反应槽出流管的一侧，过滤槽4内通过滤网9分隔成上下布置的滤渣室401和滤液室402，所述滤渣室401与出流管6连通，所述滤液室402通过循环管10与入流管7连通，所述循环管10上设置有循环泵11，循环泵对料液进行循环抽送，可使反应过程处于循环流场中。

本实施例还公开一种采用上述装置进行深度置换提铜的方法，包括如下步骤：

S1：将含铜锌的待置换料液添加到反应槽中；

S2：设置反应条件：调节料液循环速度、调节pH值以及调节反应温度；料液循环速度控制在100-500ml/s，pH控制在1-5，反应温度控制在40-80℃；

S4：通过过滤槽进行固液分离后收集反应后的铜渣。具体来说，通过上进下出的循环流场湍流引发表层铜渣与内层锌板自然剥落，并在反应槽底部随料液流出并通过过滤槽进行固液分离并收集。

本发明与传统锌浸液锌粉净化除铜工艺相比，采用锌板与温、流、电场相组合的方式进行目标金属置换，实现了置换后锌铜的高效分离。可使用多种控制系统直接对反应进行控制操作，具有反应彻底，锌粉消耗量降低，处理成本降低，提铜效率高、产出铜渣含量高的优点，便于后续深度处理。整体装置与工艺简单可靠，易于实现工业化生产，具有良好的经济与环保效益。下面详述本申请的技术原理：

置换过程中采用锌板可以直接避免锌粉包夹铜渣的问题，同时层状剥落的锌表面可以产生更多的腐蚀点位，促进局部微电池的形成。通过叠加温度控制可促进反应动力学过程由电化学控制向扩散控制转化，有利沉积物表面疏松，加速反应；通过循环流场可以消除表面浓差极化，促进离子扩散，加速置换沉积与剥离；通过电流场可增大反应电位差，促进铜晶核形成和锌表面点蚀，发生层状剥落。

所述耦合流场时，采用从阴极背侧进入，上进下出的模式。其中，上进下出的流向将会加速脱落的铜渣向下沉积，便于铜渣的自动收集。从阴极背侧进入的流向则可以强化料液中铜离子向阳极表面的扩散，避免浓差极化的出现，同时流体冲击阳极表面所产生的湍流能够有效地引起锌阳极表面层状铜渣的剥落。促进锌阳极表面新的的点蚀形成。

所述耦合电场时，锌溶解和铜沉积是在溶解电压及渗透压两者存在数值差并形成电位差(即电极附近的双电层与整个溶液间的电荷差)时进行的。锌的溶解电压大于渗透压，差值为负，铜的溶解电压小于渗透压，差值为正，随着置换反应的进行，锌离子在溶液中的浓度增大,而铜离子的浓度降低，锌的负电位由于离子渗透压的增大将降低，而铜的正电位由于离子渗透压的降低而降低，当两种电位值相等时，反应停止进行。电场开始叠加后，锌板表面的点蚀，使置换比表面积增大，所以促进了置换过程。电场叠加过程中阳极锌板与阴极铝板间的电势不能大于铜的电沉积电势，否则，铜会以电积形式在阴极沉积。

所述耦合温度场时，由于第一阶段直接锌板置换的反应动力学过程为电化学扩散控制，而第二阶段电场叠加后、置换反应的动力学过程为扩散控制。因此第二阶段深化反应过程中，反应温度过低将不利于反应进行，而过高则考虑能耗迅速上升。因此控制在70摄氏度以下的恒温度场，有利于置换过程进行。

下面以具体的实施例过程来说明本申请的优点：

实施例1

原料液原始浓度为：Zn 4g/L，Cu 6g/L，pH＝2。取该料液500mL放置进入反应槽，阳极锌板尺寸为4×6cm，厚0.5cm，纯度为95％；阴极铝板寸为4×6cm，厚0.5cm，纯度为90％，均使用砂纸打磨光滑，设置锌板与铝板的间距为4cm。第一阶段：将恒温加热箱温度调整至40℃；开启并调节循环泵，料液循环流速调整为1.4ml/s；第二阶段：开启直流电源并控制锌板上电流密度为40mA/cm²。调整两阶段反应时间，结果如下：

表1料液铜提取率

实施例2

原料液原始浓度为：Zn 4g/L，Cu 6g/L，pH＝2。取该料液500mL放置进入反应槽，阳极锌板尺寸为4×6cm，厚0.5cm，纯度为95％；阴极铝板寸为4×5cm，厚0.5cm，纯度为90％，均使用砂纸打磨光滑，设置锌板与铝板的间距为5cm。

反应第一阶段：将恒温加热箱温度调整至60℃；开启并调节循环泵，料液循环流速调整为2ml/s，反应时间为3h。

反应第二阶段：开启直流电源并控制锌板上电流密度为60mA/cm²，反应时间为2h。

得到滤液与铜渣，称取1g铜渣清洗烘干后用硫酸完全溶解后定容至100mL，用ICP测定其中锌、铜含量，结果如表2所示。

表2滤渣滤液成分

依据上述结果，反应后得到的铜渣品位可达到94.18％，证明提取单铜渣品位品位较高，效果较好。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种多场耦合下深度置换提铜的装置，其特征在于：

包括阳极锌板、阴极铝板、反应槽、过滤槽和直流电源；

所述阳极锌板和阴极铝板分别插接在反应槽的两侧且二者通过导线与直流电源电连接；

所述反应槽的一侧侧壁底部设置有出流管，另一侧侧壁顶部设置有入流管，反应槽外部设置有恒温装置；

所述过滤槽设置在反应槽出流管的一侧，过滤槽内通过滤网分隔成上下布置的滤渣室和滤液室，所述滤渣室与出流管连通，所述滤液室通过循环管与入流管连通，所述循环管上设置有循环泵。

2.根据权利要求1所述的多场耦合下深度置换提铜的装置，其特征在于：所述反应槽顶部的一侧并列设置有溢流槽。

3.根据权利要求2所述的多场耦合下深度置换提铜的装置，其特征在于：所述恒温装置为外套于反应槽的电加式恒温加热箱或均布于反应槽外壁的电加热式加热片。

4.根据权利要求3所述的多场耦合下深度置换提铜的装置，其特征在于：所述阳极锌板和阴极铝板的厚度一致，均控制在0.3-0.8毫米。

5.根据权利要求4所述的多场耦合下深度置换提铜的装置，其特征在于：所述阳极锌板与阴极铝板的间距为2-6厘米。

6.根据权利要求5所述的多场耦合下深度置换提铜的装置，其特征在于：阳极锌板的纯度为85—95％，阴极铝板的纯度为80％-99％，阴极铝板与阳极锌板的面积比为0.8-1.2:1。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的多场耦合下深度置换提铜的装置，其特征在于：所述反应槽内设置有用于卡接固定阳极锌板和阴极铝板的极板卡槽。

8.一种采用如权利要求7所述的装置进行深度置换提铜的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将含铜锌的待置换料液添加到反应槽中；

S4：通过过滤槽进行固液分离后收集反应后的铜渣。

9.根据权利要求8所述的深度置换提铜的方法，其特征在于：料液循环速度控制在100-500ml/s，pH控制在1-5，反应温度控制在40-80℃。