木质素磺酸钠对低品位水钴矿浸出的影响

彭 灿，文定强

（1.广东佳纳能源科技有限公司，广东 清远 513056；2.长沙佳纳锂业科技有限公司，湖南 长沙 410600）

随着全球电动化进程的加速，数码消费类电子产品普及和新能源汽车的大力推广，锂离子电池市场也随之快速发展，钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等由于能量密度和安全性等综合性能优异成为锂离子电池中使用量最大的正极材料，而锂电池的需求量大幅增加，导致对钴需求的不断增长[1]。钴供应量占全球总供应量的65%的刚果(金)却在不停的变动政策。2018年3月，铜钴的矿业税税率从2%提高至3.5%，而在2018年12月宣布钴为战略物资，进一步将钴的矿业税税率从3.5%提高到10%，税率提升相当于直接增加刚果（金）当地矿业企业生产成本，近年来，国内外钴矿企业为保障公司原料供应稳定和降低成本提供保障，热衷于在刚果（金）建立工厂制备粗制钴盐以降低生产成本。

目前，刚果（金）水钴矿中钴多以氧化钴形式存在，还原酸浸法[2，3]为钴湿法冶炼厂的主流工艺，钴矿石经浸出-萃取分离铜-化学除杂-沉钴工艺即可以得到粗制钴盐。本研究以非洲刚果(金)某水钴矿为研究对象，采用焦亚硫酸钠为还原剂，在浸出过程通过添加木质素磺酸钠来改善浸出效果。通过考察木质素磺酸钠用量、焦亚硫酸钠用量、浸出温度、液固比等参数对钴、铜浸出率的影响，确立了最优浸出工艺，为从水钴矿中提取有价金属铜钴提供了一种低成本、高效的工艺。

1 实验部分

1.1 实验原料

水钴矿来源于刚果（金）卢本巴希某矿山，经破碎、细磨、筛分后，分别得到-100目矿样作为研究对象。水钴矿的多元素化学见表1。实验过程所用试剂硫酸为化学纯、焦亚硫酸钠和木质素磺酸钠均为分析纯。

表1 氧化钴矿中主要元素含量/%

1.2 实验方法

称量一定量已球磨、粒径为-100目（＜0.15mm）的低品位水钴矿，采用DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器为反应装置，按照设定的液固比，加入适量硫酸、纯水、分散剂和还原剂，进行搅拌浸出，一段时间以后，过滤，收集滤液，滤渣置于烘干。滤液和烘干后滤渣中钴、铜的含量均采用WFX-120B原子吸收分光光度计测定。

2 结果与讨论

2.1 木质素磺酸钠用量对浸出过程的影响

固定水钴矿加入量为100g，焦亚硫酸钠的加入量为理论单耗的2.5倍，浸出过程液固比L/S=6mL/g，反应温度为25℃，初始硫酸浓度为1.25mol/L，搅拌转速300r/min，反应时间为6h。木质素磺酸钠对水钴矿中铜钴浸出效果的影响见图1。

图1 木质素磺酸钠的加入量对浸出过程的影响

从图1可知，水钴矿中钴、铜的浸出率都随木质素磺酸钠加入量的增加而提高。浸出过程不加入木质素磺酸钠时，钴、铜的浸出率分别为90.01%、91.99%，而当加入1.5g木质素磺酸钠时，钴的浸出率提升至98.65%，铜的浸出率也增加到98.23%，这是因为浸出过程水钴矿表面与水分子的作用形成水化层，给矿石内部钴、铜的浸出造成了一定阻碍，通过加入木质素磺酸钠可降低矿物颗粒与水之间的接触角，增加了分子扩散和对流扩散，使其具有较高表面活性，可以促进浸出液进入矿石内部产生化学反应[4，5]。继续加大木质素磺酸钠的用量，对水钴矿中钴、铜的浸出效果改善较小。综合考虑，选择木质素磺酸钠的加入量为1.5g为宜。

2.2 焦亚硫酸钠用量对浸出过程的影响

当木质素磺酸钠的加入量为1.5g，其他条件不变的情况下，焦亚硫酸钠的用量对钴、铜浸出率的影响如图2所示。

图2 氧化钴矿的加入量对浸出过程的影响

由图2可知，随着焦亚硫酸钠加入量的增加，钴和铜的浸出率都呈现出先升高趋势。当焦亚硫酸钠的用量超过理论用量的2.5倍时，继续增加其用量对钴浸出率提升不太明显，表面该物料体系的还原剂已足量，继续增加焦亚硫酸钠用量反而会增加生产成本。因此，选择焦亚硫酸钠的用量为理论用量的2.5倍即可。

2.3 液固比对浸出过程的影响

当焦亚硫酸钠的用量为理论用量的2.5倍，其他条件不变的情况下，浸出过程液固比对钴、铜浸出率的影响如图3所示。

图3 液固比对浸出过程的影响

由图3可知，浸出过程随着液固比的增加，水钴矿中钴、铜的浸出率也随之增加，这是因为在液固比较低时，料浆的粘度较大，分散性较差，不利于浸出反应。当液固比提升到6:1mL/g时，钴铜浸出效果较好，继续增大液固比对其改善效果不大，考虑到后续钴液处理成本及其他因素，确定液固比为6mL/g为宜。

2.4 反应时间对浸出过程的影响

当液固比为6mL/g，其他条件不变的情况下，浸出过程反应时间对钴、铜浸出率的影响，如图4所示。

图4 反应时间对浸出过程的影响

由图4可知，反应时间的延长，对钴和铜的浸出率的影响较为显著。当反应时间从2h增加到6h后，水钴矿中钴的浸出率从76.91%提升至98.65%，铜的浸出率从76.02%增加到98.23%，这是因为反应时间短，反应不完全，矿石中钴高价态氧化物未得到充分反应，其中的钴、铜浸出效果被影响。当反应时间超过6h后，钴、铜浸出率增幅较小，这可能是其他反应条件决定的。故确定反应时间为6h即可。

2.5 优化条件下的放大实验

综上所述，从刚果（金）低品位水钴矿中提取有价金属的最优工艺条件为：在水钴矿加入量为1000g时，浸出过程木质素磺酸钠的加入量为15g，焦亚硫酸钠的加入量为理论单耗的2.5倍，液固比L/S=6mL/g，反应温度为25℃，初始硫酸浓度为1.25mol/L，搅拌转速300r/min，反应时间为6h。按照此条件进行的平行实验结果见表2。

表2 放大平行实验结果

3 结论

采用还原酸浸法处理刚果（金）低品位水钴矿中提取有价金属的最优工艺条件为：在水钴矿加入量为100g时，浸出过程木质素磺酸钠的加入量为1.5g，焦亚硫酸钠的加入量为理论单耗的2.5倍，液固比L/S=6mL/g，反应温度为25℃，初始硫酸浓度为1.25mol/L，搅拌转速300r/min，反应时间为6h。在该反应条件下，钴和铜的浸出率分别可达98.61%、98.27%。该工艺实现了在常温条件下，水钴矿的高效浸出，在浸出过程加入木质素磺酸钠在可明显改善钴铜的浸出效果，还可实现即低焦亚硫酸钠用量的实现高钴铜浸出率，为实现低成本工业化处理水钴矿提供了理论实践基础。