生物堆浸-萃取-电积生产阴极铜的工艺设计*

铜具有优良的延展性、导电性和导热性，被广泛应用于建筑、电力、交通和制造业，是重要的战略金属资源[1-12]。随着铜矿资源品位的日益下降，湿法冶炼技术得到越来越广泛的应用。由于成本低、效率高、绿色环保等优势，生物浸出技术回收铜的技术和产业发展方兴未艾[3，4]，自1968年发展到现在，世界范围内已经设计建设并且运转了大约50家以“浸出-萃取-电积”工艺为基础的阴极铜厂，当前，全球超过四分之一成品铜依赖这一技术[3]，被认为是世界铜工业的一次革命。

L矿拥有目前亚洲最大的湿法炼铜厂，属于典型的“采-选-冶”一体化项目，冶炼过程涵盖生物浸出-萃取-电积（HP-SX-EW）等环节，原料以低品位辉铜矿为主，最终产品阴极铜纯度可以达99.99%以上，符合国标GB/T467-2010规定，并达到伦敦金属交易所（LME）A级标准，已经在业内形成良好的美誉度。由于当地技术体系相对落后，L矿项目设计和施工参照国内相关标准，同时充分结合当地的气候、自然条件等因素。2016年该项目建成投产，2018年达到10万t阴极铜的设计产能。

1 矿石性质

运用自动矿物分析仪（MLA）获得L矿矿石矿物分布如图1所示。

通过对矿物的X衍射定量分析来看，矿石最主要的成分是石英，占到总量的56.46%，其次是黄铁矿、白云母、明矾石。黄铁矿为L矿最主要的产酸和产铁的矿物，占比为12.13%；铜矿物分别为辉铜矿、黄铜矿和水胆矾，辉铜矿占比为0.98%，黄铜矿占比0.20%。辉铜矿是Cu的主要矿物，占到总铜量的约80%，其主要组成成分如表1所示。

图1 L矿的矿物分布图Fig.1 The mineral distribution diagram of L mine

表1 L矿矿石组分Tab.1 The ore composition of L mine %项目 辉铜矿碱性脉石含量 0.98 0.20 12.13 56.46 8.32 12.93 <1.0黄铜矿黄铁矿 石英绢云母-伊利石-蒙脱石明矾石

2 工艺设计

L矿为露天采矿工艺，根据粘土含量进行辉铜矿半定量分类，高粘土矿石通过自卸卡车运输至3号堆浸场进行原矿筑堆，低粘土矿石经一段破碎后送至中间矿堆，再由皮带系统输送至1号堆场，然后采用桥式布料机筑堆；含酸堆浸液通过管网上堆，通过特定微生物的直接和间接作用将铜浸出[7]，下堆溶液铜浓度较低的，返回单元进行循环上堆，直至浓度达标，称之为合格液，送至萃取车间，经萃取和反萃后获得富铜液，萃取之后剩下的萃余液返回堆场进行循环上堆，而富铜液进入电积槽，在直流电流作用下，金属铜在惰性阴极板析出并生长，然后经过出铜、剥铜，获得最终的阴极铜产品。整个生产过程中溶液闭路循环，真正实现零排放和零污染。其工艺流程见图 2。

图2 堆浸-萃取-电积工艺流程示意图Fig.2 The schematic diagram of heap bioleaching-extraction-electrodeposition process

2.1 浸出工艺

2.1.1 浸出原理

辉铜矿的浸出过程较为复杂，一般认为其综合反应式如下[8-13]：

动力学上辉铜矿的浸出分为两个阶段[13]，第一阶段主要受到化学反应控制的影响，更多受到酸铁浓度的影响；第二阶段受到扩散和化学反应的双重控制，更多的受到反应温度的影响，其中第二阶段反应过程模型如图3所示。

图3 辉铜矿第二阶段反应模型Fig.3 The reaction model of chalcocite in the second stage

第二阶段反应过程又可以分为两个次级阶段：第一个次级阶段（45%～70%浸出率）受到矿物表面化学反应控制，第二个次级阶段由于硫膜的形成和加厚，扩散阻碍作用更加明显。

浸出细菌为氧化亚铁硫杆菌，该菌属嗜中温菌，最佳生长温度（30～45）℃，L矿所在地月平均温度（27～42）℃，非常适合生物浸出过程。

辉铜矿矿石浸出前后背散射扫面电子显微镜图谱如图4所示。

图4 背散射扫描电子显微镜图谱（左为辉铜矿原矿；右为辉铜矿浸渣，浸出率86%）Fig.4 Back scattering scanning electron microscope spectrogram（left：raw ore chalcocite；right：leaching residues of chalcocite，the leaching rate is 86%）

2.1.2 浸出设计

生物堆浸场的工程设计基于柱浸实验和中试结果，L矿生物堆浸场主要生产过程和工艺参数如下：

矿石筑堆：高粘土类矿石进3号堆场，采用原矿汽车筑堆，矿石粒度控制要求：（0～500）mm≥90%，（500～1 000）mm＜10%，由采矿工段负责；低粘土类矿石进1号堆场，采用一段破碎-皮带输送-布料机筑堆，矿石粒度控制要求：破碎给料≤1 200 mm，出料P80≤200 mm，由选矿工段负责。两个堆场筑堆高度均按照（）m控制，每层完成浸出后直接在顶部进行新一层筑堆，两层缩进安全距离为4.5 m，每层筑堆坡面角为37°，最终总堆置高度84 m，堆场最终边坡角为26°。

文章来源：《湿法冶金》 网址: http://www.sfyjzz.cn/qikandaodu/2021/0107/382.html