矿物加工过程与矿物加工学-化学选矿

,矿物加工方法：粉体加工分离加工改性加工成型加工,矿物加工目的：矿物原料矿物材料环境保护,绪论（矿物加工过程与矿物加工学）,选矿过程：粉体分选脱水,典型的矿物加工过程典型的过程工艺（单元操作）,矿物加工过程,矿物的生物与化学处理,第一章矿物化学处理一、矿物的化学处理二、煤炭的化学脱灰,第二章矿物生物处理一、生物冶金技术二、煤炭生物脱硫,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,一、矿物的化学处理,矿物的化学处理是一种化学加工方法。它以矿物原料为加工对象，利用不同矿物在化学性质上的差异，采用化学处理或化学处理与物理选矿相结合的方法，使有价组分得以富集和提纯，最终产出化学精矿或单独产品（金属或金属化合物）。,中国古代湿法提铜,用胆水制取铜金属，在西汉的淮南万毕术（曾青得铁则化为铜）以及东汉神农本草经（石胆能化铁为铜）均有记载；读史方兴纪要也记载了用铁粒还原铜离子为铜粉，通过铺席溜槽重选富集后，再经锻打制成铜片的选冶加工流程。,国外化学选矿的起源与发展,1888年，发明拜耳法生产氧化铝；二战期间，基于发展核武器的需要，铀提取及铀冶金获得飞速发展，溶剂萃取及离子交换等化工分离技术进入湿法冶金；,国内现代湿法冶金的发展,1955年成立中科院化学冶金所，并开展低品位难选复杂矿的化学选矿研究；云南东川汤丹氧化铜的湿法冶金；含镍黄铁矿及红土镍矿的湿法提取；难处理金矿的化学选矿,从处理贵金属向低品位复杂矿的跨越,堆浸,萃取,紫金山铜矿万吨级生物堆浸-SX-EW提铜矿山,矿石破碎,电积,西藏玉龙铜矿（生物）湿法提铜技术,概况我国超大型铜矿床之一，累计探明的铜金属储量650万吨矿床分为三个矿体，分为氧化矿带、次生矿带和原生矿带海拔4560-5120m，外部环境条件差,试验厂海拔4200m规模300吨电铜堆浸/搅拌浸出北京有色院负责堆浸技术，北矿院负责搅拌浸出技术,云南低品位镍钴矿生物堆浸中间工厂,低品位镍钴矿生物堆浸提镍钴技术,从采矿到提供金属成材的四个阶段,采矿选矿(重选、电磁选、浮选)化学冶金（火法冶炼、湿法提取）物理冶金（压力加工和热处理）,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,1化学选矿的特点,优点：1）化学处理不嫌矿石“贫”、“细”、“杂”，对原料的适应性广；有利于矿产的综合利用。2）最终产品纯度高。除形成化学精矿外，还可生产较纯的化合物以至金属，直接满足社会需求或供应金属加工市场。,缺点：1）因试剂较贵或消耗较大而造成试剂费用较高；2）因介质腐蚀性强而造成设备投资大和材料费用高。,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,化学选矿与物理选矿、冶炼的关系,化学选矿与物理选矿：选矿依据：物理与物理化学性质的差异化学性质的差异选矿对象：相对易选的富矿细贫杂等难选矿；“三废”资源化原料形态：原矿难选原矿，物理选矿的中矿、尾矿，“三废”资源分选本质：分离、富集，不改变矿物自身组成化学处理，改变矿物自身组成与结构产品形态：矿物精矿化学精矿,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,化学选矿与冶炼：相似之处：利用化学、物理化学、化工的基本原理解决矿物加工中的有关工艺问题。处理对象：矿物原料，细、贫、杂。分选精矿产品形态：化学精矿纯金属工艺过程：具体工艺过程因此，化学选矿过程较冶金过程承受更大的经济与技术压力，它必须采用有别于冶金常用的方法与工艺，才能在处理低价值的难选矿物原料中取得经济效益，这样就形成了化学选矿自身的独特方法与工艺。,化学选矿与物理选矿、冶炼的关系,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,2化学选矿的一般过程,1）原料准备：矿物原料的破、磨、配料；预先富集。2）焙烧：使目的组分矿物转变为易浸的或易于物理分选的形态，部分杂质分解挥发或转变为难浸的形态，且可改变原料的结构构造。3）浸出：使有用组分或杂质组分选择性地溶于浸出液中，从而使两种组分分离。一般情况下浸出含量少的组分。4）固液分离：采用沉降倾析、过滤和分级等方法处理浸出液，以获得供后续处理的澄清溶液或含少量细矿粒的稀矿浆。5）浸出液净化：采用化学沉淀法、离子交换法或溶液萃取法等进行净化分离，以获得有用组分含量高的净化溶液6）制取化学精矿：从净化液中采用化学沉淀法、金属置换法、金属沉积法以及物理选矿法，沉淀析出化学精矿。,图化学选矿的原则流程图,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,3常见的化学选矿方法1）矿石焙烧2）矿物浸出3）离子交换4）溶剂萃取5）离子沉淀6）置换沉淀7）金属沉积,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,1矿石焙烧,在适当气氛中加热矿物原料至低于矿物组分熔点温度，使目的组分与炉气发生化学反应转变成适于后续作业所要求的形态的过程，称为焙烧。,1）氧化焙烧：在氧化气氛中加热硫化矿，使炉中的氧部分或全部取代矿物中的硫，形成金属氧化物。2）硫酸化焙烧：使金属氧化物或硫化物转变成可溶于水的金属硫酸盐。3）氯化焙烧：在氧化或还原性气氛中加热矿物原料，使之与氯气或固态氯化剂发生化学反应，生成可溶性金属氯化物或挥发气态金属氯化物。,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,4）离析焙烧：在中性或弱还原气氛中加热矿物，使有价组分与固态氯化剂反应生成挥发性气态金属氯化物并随即以金属形态沉积在炉料中的炭质还原剂表面。5）还原焙烧：在还原气氛中使金属氧化物还原成金属形态。6）磁化焙烧：在适当控制的还原性气氛中，使弱磁性赤铁矿还原成强磁性的磁铁矿。7）加盐焙烧：为从矿物中提取钒、钨、铬等有价金属，焙烧过程中加入硫酸钠、氯化钠、碳酸钠等添加剂使之生成可溶性钒酸钠、钨酸钠和铬酸钠等。8）煅烧：是碳酸盐加热分解过程，如菱铁矿煅烧、石灰石煅烧。,原矿多元素分析,某红土镍矿试验结果,(Fe,Ni)O(OH).nH2O,红土镍矿铁的化学物相分析结果(%),红土镍矿中镍的化学物相分析结果(%),最终精矿指标（%）,临江羚羊石主要铁矿物为磁铁矿、菱铁矿、褐铁矿，另有一定量的黑锰矿、硅酸铁矿物，以及少量的赤铁矿。矿石中含有少量的硫化物，主要为黄铁矿、黄铜矿和磁黄铁矿；次生硫化物为斑铜矿、铜蓝。另外，矿石中还含有很少量的钴硫砷铁矿。脉石矿物主要为石英，硅酸铁矿物次之。该矿石铁矿物组成和构造十分复杂，浸染细，而且脉石矿物为极易泥化的绿泥石等，这些因素决定了该矿石用常规选矿方法选别将很困难。,吉林临江羚羊铁矿石选矿,对吉林羚羊石进行了分步浮选、弱磁选强磁选反浮选、弱磁选强磁选分步浮选、弱磁选强磁选强磁精矿再磨反浮选、弱磁选分步浮选、弱磁选弱磁尾矿再磨反浮选、弱磁选弱磁尾矿再磨分步浮选研究，结果表明分选效果均不佳，只有在经弱磁选处理后选出一部分指标较为合格的磁铁矿精矿，其品位超过了59%，回收率超过30%，可以作为精矿使用。故采用常规分选方法很难实现羚羊石的有效分离。,磁选浮选分离研究,对吉林羚羊石考察了煤气和煤作还原剂时各种焙烧条件对其分选效果的影响，并进行了回转窑焙烧扩大试验。研究结果表明，实验室焙烧磁选试验研究表明，以煤气为还原剂，焙烧温度超过680时，磁选管选别精矿Fe品位可达55%以上；焙烧温度超过760，精矿Fe品位超过58%；焙烧时间超过10min后，延长焙烧时间对磁选选别效果的影响不大；以煤为还原剂的磁选精矿Fe品位比以煤气为还原剂低约5个百分点，但回收率较高，以煤为还原剂的磁选精矿Fe回收率可达85%以上，精矿中锰的含量为3.565.39%。以煤为还原剂的回转窑焙烧磁选，在焙烧温度为900时磁选精矿Fe品位达到67.17%。扩大焙烧磁选试验研究表明，以河北丰宁丰东煤矿次烟煤为还原剂时，煤的适宜填加量为8%，焙烧磁选可以获得铁精矿品位58%以上，回收率70%以上的较好指标；粗精矿再磨磁选工艺是焙烧矿较适宜的分选工艺。,焙烧磁选试验研究,采用铁矿石深度还原与高效分选工艺，将原矿中的铁氧化物还原为金属铁，并实施铁颗粒粒度的控制，为后续的高效分选创造了条件。实验结果表明，采用该创新性技术成果处理羚羊铁矿石可获得含铁85%以上的产品，金属回收率85%以上，所得产品可直接用于电炉炼钢。难选铁矿石深度还原（直接还原）是指将不能直接作为高炉原料的低品位难选矿石在比磁化焙烧更高的温度和更强的还原气氛下（有的需要借助于反应助剂或其它外加剂的作用），将难选铁矿石中的三价或二价铁还原成单质铁，并使铁粒长大到一定尺寸，以便于后续磁选的处理技术。传统工艺：选矿-烧结（团矿）-炼铁-炼钢创新工艺：深度还原-分选-铁粉压块-炼钢,深度还原磁选试验研究,深度还原后产品的扫描电镜照片及能谱分析结果，铁颗粒主要呈球形，主要元素为铁。,深度还原-分选所得铁粉压块样品照片,煤还原氧化铁的原理,碳直接还原FeOx+xC=Fe+xCO间接还原反应C+CO2=2COFeOx+xCO=Fe+xCO2间接反应过程中碳的气化途径：2C+O2=2CO2C+CO2=2COFeCO3=FeO+CO2C+H2O=CO+H2矿石中铁氧化物主要按Fe3O4/FeCO3FeOFe的顺序进行还原：Fe3O4+C=3FeO+COFe3O4+CO=3FeO+CO2FeO+C=Fe+COFeO+CO=Fe+CO2,扩大试验工艺流程和条件,扩大试验条件,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,2矿物浸出,浸出是溶剂选择性地溶解矿物原料中某组分的工艺过程。矿物原料浸出的任务，是选择适当的溶剂使矿物原料中的目的组分选择性地溶解于溶液中，达到有用组分与杂质组分或脉石组分相分离的目的。因此，浸出过程本身是一个目的组分提取与分离的过程。浸出的原料一般是难于用物理选矿法处理的原矿、物理选矿的中矿、不合格精矿、化工和冶金过程的中间产品等。依浸出过程物料的运动方式，可分为渗滤浸出和搅拌浸出。渗滤浸出是浸出试剂在重力作用下自上而下或在压力作用下自下而上通过固定物料层的浸出过程。搅拌浸出是将磨细的物料与浸出试剂在搅拌槽中进行强烈搅拌的浸出过程。,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,依浸出试剂种类，浸出可进一步分为：酸法：硫酸、盐酸、硝酸、亚硫酸碱法：碳酸钠、苛性钠、氨水、硫化钠盐浸：氯化钠、氯化铁、氯化铜、硫酸铁、次氯酸钠等细菌浸出：硫酸铁+菌种+硫酸氰化法及混汞法等,自1980年首次于智利SoueceMineradePadahuel使用,典型氰化法提金的原则流程图,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,3离子交换,离子交换净化法是溶液中的目的组分离子与固态离子交换剂之间进行多相复分解反应，使目的组分优先由液相转入固态交换剂，这一过程称为“吸附”。然后用适当的试剂淋洗被目的组分饱和了的离子交换剂，使目的组分重新转入溶液，从而达到净化与富集的目的。后一过程叫“淋洗”、“洗提”或“洗脱”。通常把这两个过程简称“离子交换”或统称为“吸附”。吸附与淋洗是离子交换的两个最基本作业，一般在吸附和淋洗作业后均有洗涤作业。吸附后的冲洗是为了洗去吸附原液和亲和力较小的杂质组分，淋洗后的冲洗是为了除去树脂床中的淋洗液。,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,图离子交换净化原则流程图,离子交换过程设备示意图,离子交换膜及其应用,在结构上和普通离子交换树脂一样，在与溶液中的离子接触时，由于交换官能团的作用，使离子交换膜具有选择性透过性。,双膜电解硫酸钠示意图,利用离子交换膜的电渗析法可以除去水中80%的盐类杂质，再配以各种组合方式的离子交换树脂可以得到高质量的纯水。,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,4溶剂萃取,金属从一个液相转入与该液相互不相溶的另一个液相的物质转相过程，称为溶剂萃取。这两相当中，其中一相为含有有价组分的水溶液，另一相为有机溶剂。溶剂萃取过程（循环）至少包括两个相反的步骤。首先将萃取原液与有机相充分混合，使有机组分选择性地萃入有机相，这一步叫正萃取（或萃取）；两相分离之后进入第二步，即将负载有机相与反萃剂充分混合，使目的组分定量地转入反萃液，这一步叫反萃取。两相分离之后，水相送续后处理，有机相返回萃取。为提高分离效率，而又不降低回收率，常在正反萃取之间引进对负载有机相进行洗涤。,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,图溶剂萃取过程（循环）,典型氧化铜的溶剂萃取工艺,智利ELAbra溶剂萃取电积法生产铜流程图,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,5离子沉淀,借助沉淀剂的作用，使溶液中的目的组分（离子）选择性地呈难溶化合物形态沉淀析出的过程。称为离子沉淀。当被沉淀组分为杂质离子而有价组分留在溶液中时，通常称为净化；反之则称为难溶化合物的制取过程。若难溶化合物为最终产品时，则称为化学精矿或单独产品。沉淀物通常为各种难溶盐类、难溶硫化物和难溶氢氧化物。,离子沉淀的工业应用,美国内华达州每年从地下水中通过将LiCl转化为难溶的Li2CO3，回收4500吨Li2CO3；利用沉淀法制备纳米材料是近年来的研究热点。例如用沉淀法制备的TiO2-Al2O3复合氧化物的纳米级粉末，颗粒直径在59-81纳米；智利某铜矿通过将矿石中的氯化铜用二氧化硫还原转化为溶解度很低的氯化亚铜并析出沉淀；长沙矿冶研究院等对稀土碳酸盐沉淀过程作了研究，取代以前费用高的草酸稀土沉淀法，获得了晶型碳酸稀土，提高了稀土的回收率。,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,6置换沉淀,在水溶液中，用较负电性的金属取代较正电性的金属的过程称为置换沉淀，简称沉淀。置换是一种氧化还原反应，即较负电性的金属失去电子，成为金属离子存在于溶液之中，而被置换的金属离子则获得电子，在置换金属的表面上沉积下来。从热力学角度，任何较负电性的金属均可从溶液中置换出较正电性的金属。部分金属在水溶液中的电极电位如下表。,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,表部分金属在水溶液中的电极电位,置换沉积法作为金属提取的典型实例是用锌从含氰化物浸出液中转换贵金属,铁置换法作为从氧化铜矿硫酸浸出液中提取金属铜的方法，曾经起过很重要的作用。只是由于高效溶剂萃取技术的发展，铁屑置换法已经被萃取-电积所取代。,置换沉淀的工业应用,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,7金属沉积,金属电解精炼：将粗金属作为阳极，以同种纯金属作为阴极，以该金属盐溶液作为电解液组成电解槽。这样，目的组分既可在阳极溶解，又可在阴极析出，从而得到提纯的过程。该电解的特点为：溶解阳极电解。金属沉积又称不溶阳极电解。即在电解进行的条件下，阳极材料是不溶或惰性的。为保证不溶解阳极电解过程的持续进行，一般将电解过程与前一过程（反萃或浸出）结合起来，使得在溶液循环过程中使目的组分不断得到补充。,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,二、煤炭的化学脱灰,通过化学药剂和煤中含灰组分的化学反应而实现煤炭脱灰的方法(过程),称为煤炭的化学脱灰。,煤炭化学脱灰的优缺点优点缺点1）脱灰效率高；1）工艺流程复杂；2）适应面宽；2）成本较高。3）精煤回收率高。,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,无机法：利用酸、碱类的无机化合物和煤中矿物杂质进行反应，经洗涤、过滤、干燥除去含灰物质，而有机质仍保留其原有的结构和性质。有机法：通过有机溶剂的溶解，破坏煤中的有机物质，然后将溶解的有机物和不溶的残渣分离。,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,图化学脱灰法的常规流程,第一章矿物化学处理,矿物的生物与化学处理,碱处理化学反应方程式FeS2+2NaOHFe(OH)2+Na2S24Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3SiO2+2NaOH2Na2SiO3+H2OAl2O3+2NaOH+3H2O2NaAl(OH)4Al2O32SiO2xH2O+NaOHNa2OAl2O