溶液中金回收的研究进展

2020-09-10 07:22张磊郭学益田庆华李栋衷水平秦红
黄金 2020年11期
关键词:回收吸附

张磊 郭学益 田庆华 李栋 衷水平 秦红

摘要: 金作为重要的金融储备物,在工业生产、电子通讯、医药及航空航天等领域有着广泛应用。溶液中金回收方法主要有置换法、活性炭吸附法、溶剂萃取法、离子交换法、电沉积法等。总结分析了各种金回收方法的原理、优缺点,重点阐述了不同方法的最新国内外研究进展,并对金回收方法的未来研究方向进行了讨论。

关键词: 金;置换;吸附;离子交换;电沉积;回收

中图分类号:TF831 文献标志码:A

文章编号:1001-1277(2020)11-0056-06 doi:10.11792/hj20201111

引 言

中国是黄金生产和消费大国,黄金产量和消费量已经连续多年位居世界第一。2017年中国黄金产量 426.14 t、消費量1 089.07 t,2018年黄金产量401.12 t、消费量1 151.43 t[1]。 由此可看出,中国黄金的供需矛盾非常突出,表现为消费量大但生产量少,而国内黄金资源又相对缺乏,仅占全球储量的4.1 %。因此,提高黄金资源的利用率,实现黄金的高效回收尤为重要[2-4]。

工业应用较为广泛的提金方法为氰化法,氰化法始于1887年,至今已有一百多年的历史。虽然世界上约85 %的金由氰化法产出,但由于氰化法存在环境污染严重、周期长、氰化物剧毒等问题,众多学者开展了非氰提金研究[5-6]。常见的非氰提金方法有硫脲法、硫代硫酸盐法、卤素法、硫氰酸盐法等[7]。目前,从含金溶液中回收金的方法主要有置换法、活性炭吸附法、溶剂萃取法、离子交换法、胶结法等[8-10]。虽然这些技术较为成熟,但仍然存在流程长、工艺复杂、金回收效果差等问题,如何从不同体系浸金液中高效、清洁回收金是黄金行业亟需解决的问题之一。基于此,本文总结了各种金回收方法的原理及优缺点,探讨了近年来国内外科研人员从不同体系浸金液中回收金的最新研究进展,旨在为科研人员提供理论参考和指导。

1 溶液中金回收方法

1.1 置换法

置换法是根据金属的活泼性顺序,通过氧化还原反应,用一种活泼金属单质将溶液中相对不活泼金属分离提取出来的一种方法[11]。置换法广泛应用于湿法冶金工业中贵金属的提取,其中锌粉置换法最早在1890年用于氰化浸金液中金的回收,随后成为氰化浸金液中金回收的主流方法,后来才逐渐被活性炭吸附法取代。置换法回收溶液中金的工艺中,常用的金属置换剂有锌、铁、铝、铅、铜等,各金属的还原反应及对应的电势如下[12]:

Au++e Au E0=1.68 V(1)

Zn2++2e Zn E0=-0.76 V(2)

Fe3++e Fe2+ E0=0.77 V(3)

Fe2++2e Fe E0=-0.44 V(4)

Al3++3e Al E0=-1.66 V(5)

Pb2++2e Pb E0=-0.13 V(6)

Cu2++2e Cu E0=0.34 V(7)

由于金和活泼金属的标准电极电势差异较大,上述几种金属都可作为金的还原剂。M.Karavasteva[7]分别用Mg、Al、Zn、Fe和Cu 5种金属从硫代硫酸铵溶液中置换金,在沉淀金的过程中,置换反应速率和置换剂消耗量从大到小的顺序均为Cu>Zn>Mg>Fe>Al;采用5种金属置换后,金属上沉积的金形态存在明显差异,Mg、Zn、Fe、Cu置换金时需要较大的过量系数,Al的消耗量相对较小,Zn的置换效果最好,Al由于极低的置换反应速率而限制了其实际应用,Mg和Fe可应用于实际生产中。

1.1.1 锌粉置换法

锌粉作为置换剂,具有流程短、反应速度快、金属回收率高等优点,在贵金属湿法提取工业上应用较广。Hwa Young Lee等[13]开展了锌粉、铁粉和铝粉分别置换酸性硫脲浸金液中金的研究,结果表明,锌粉对酸性硫脲浸金液中金的置换率最高,铝粉置换反应速度较慢,原因可能是铝粉表面形成氧化膜所致。置换过程中向溶液中通入氮气可显著减少硫脲的分解和金的溶解,有利于提高金回收率。Nizamettin Demirk1ran等[14]开展了锌粉从含锌铜溶液中置换回收铜工艺研究,结果表明,置换反应速率随着初始铜、锌离子浓度及搅拌速度和温度的增加而增大。

锌粉置换法回收浸金液中金的工艺已经相当成熟,其设备操作简单,生成的金泥品位高,成本低,特别适合处理含银高的金矿石。锌粉置换法主要经历了3个方面的技术改进:一是用锌粉代替锌丝,大幅提高了置换效率;二是在锌粉中添加可溶性铅盐,提高了金的沉积速率;三是对贵液进行脱氧处理,减少了锌粉消耗[15]。

M.T.Oo等[16]用旋转圆盘电极法开展了锌粉从金氰体系中置换金的研究,认为体系中主要涉及金的还原和锌的溶解2个反应,反应速率控制步骤是金氰络合离子向锌粉表面的扩散过程。加入铅对置换反应速率影响不大,但会影响金沉淀物的形态,在10 ℃下添加铅能延长反应的扩散区,从而促进置换过程的进行;在40 ℃下添加铅会使电位增加,减少锌腐蚀。Y.J.Hsu等[17]开展了锌粉从Cu-Au-CN-体系中选择性沉淀金的动力学研究,结果表明,随着溶液中氰化物浓度和pH的提高,铜的沉淀速率降低,因此可在高氰化物浓度和高pH条件下,用锌粉选择性沉淀金,使铜留在溶液中。

J.D.Miller等[18]对置换过程中悬浮锌粉颗粒表面上金的沉淀动力学和旋转锌盘电极电化学进行了研究,考察了金浓度、温度、硝酸铅加入量等对置换反应的影响,发现在置换过程中存在锌颗粒聚集现象和锌钝化现象。P.Navarro等[19]用锌粉置换法回收硫代硫酸铵溶液中的金,考察了各因素对金沉淀率的影响,结果表明,置换反应过程属于扩散控制,添加氨水能够促进金置换反应进行,并提出了该体系置换机理:

S2O2-3 S+SO2-3(8)

3S2O2-3+H2O 4S+2SO2-4+2OH-(9)

Zn(NH3)2+m+2OH- ZnO+H2O+mNH3(10)

Zn+2Au(S2O3)3-2 2Au+4S2O2-3+Zn2+(11)

国内学者也对锌粉置换法进行了研究和工业探索。李传伟等[20]针对黄金冶炼锌粉置换工艺中传统分步式流量计算无法对锌粉添加量进行准确检测和控制的问题,提出了一种基于失重法的新型动态流量检测方法,并采用PID控制算法实现给料流量的自动控制,研制出了锌粉精密添加系统,能够满足置换过程中锌粉精密添加的要求。卢辉畴[21]通过控制Pb(Ac)2 的用量,改进了用锌粉置换法从含高铜、铅、锌氰化贵液中直接回收金的工藝,解决了流程中铅、锌积累导致金置换率下降的问题。王杰等[22]开展了锌粉置换法回收硫代硫酸盐浸金液中金的试验研究,结果表明,随着锌粉用量的增加,金置换率升高,浸金液中的游离硫代硫酸盐对置换反应影响较小,但Cu2+及SO2-4、SO2-3等不利于反应的进行,而加入铅盐则有利于置换反应进行。刘琳[23]用锌粉置换法回收铜-乙二胺-硫代硫酸盐浸金液中的金,研究了溶液组分、pH、温度等因素对置换反应的影响,并详细讨论了还原过程中铜的行为及影响锌粉消耗量的因素。

1.1.2 铁粉置换法

铁粉活泼性较强,价格低廉,是一种理想的置换剂。Jinshan Li等[24]分别用铁粉和锌粉回收硫氰酸盐溶液中的金,结果表明,铁粉的还原效果明显优于锌粉,铁粉置换反应1 h,可使金沉淀率达到98 %,而锌粉置换时金沉淀率不到80 %。H.G.Zhang等[25]用旋转低碳钢盘对酸性硫脲溶液中金的置换进行了动力学研究,确定置换反应速率受硫脲金络合物向低碳钢盘表面的扩散控制,铁的氧化是简单的活化控制过程,而硫脲金络合物的还原比较复杂,存在扩散控制区域。

Zhike Wang等[26]开展了铁粉回收硫氰酸盐浸金液中金的研究,考察了各种因素对置换过程的影响, 确定置换反应速率是符合金浓度的一级动力学模型,控制步骤为扩散过程,测定了反应活化能为9.3 kJ/mol。 溶液中的三价铁离子会导致金还原率降低,在置换过程中向溶液中充入氮气能够提高金回收率。王为振等[9]采用铁粉回收含金滤液中的金、银、铜等有价金属,考察了各个因素对金属置换率的影响,结果表明,当铁粉添加量为5 kg/m3,在40 ℃下反应30 min,能使含金滤液中金、银、铜质量浓度分别从2.4 mg/L、 53 mg/L、950 mg/L降至0.05 mg/L、0.4 mg/L、7 mg/L, 还原效果较理想。

在酸性含金溶液中,采用铁粉还原金时,三价铁离子的存在对金的置换有负面影响,其会导致体系的氧化还原电位升高,使得已被还原的金重新溶解,同时会与单质铁发生氧化还原反应,导致还原铁粉的消耗量大大增加。Zhike Wang等[27]研究了铁粉从酸性硫脲浸金液中置换金的反应,通过研究体系氧化还原电位和动力学,确定了三价铁离子的负面影响机制, 并通过加入柠檬酸三钠,使三价铁离子形成Fe(Ⅲ)- cit3-络合物,如式(12)、(13)所示,从而消除三价铁离子对金置换的负面影响。

Fe3++cit3- FeⅢ(cit) K=1.58×1013(12)

FeⅢ(cit)+cit3- FeⅢ(cit)3-2 K=2.51×104(13)

1.1.3 铝粉置换法

铝活泼性很强,但由于致密氧化膜的存在,铝粉置换的反应速率较慢。Zhike Wang等[28]用铝粉从酸性硫脲浸金液中置换回收金,研究了温度、搅拌速度、Fe3+和脱氧等条件对置换反应的影响,在没有Fe3+存在的情况下,置换反应遵循一级动力学反应,Fe3+的存在会降低金的还原率,加入氟离子后能抑制Fe3+的负面影响,从而提高金还原率。李永芳[29]研究了铜离子对铝粉置换法回收硫代硫酸盐溶液中金的影响,考察了铝金质量比、pH、氨浓度、金浓度和温度等因素对金沉淀率的影响,结果表明,Cu2+的存在会对金的置换反应产生不利影响,而通过加入EDTA能够消除Cu2+的负面影响,提高金回收率。

1.1.4 铜粉置换法

J.Brent Hiskey等[30]利用旋转铜盘开展了铜置换硫代硫酸铵浸金液中金的动力学研究,考察了各个因素对金置换的影响,在置换反应初期反应速率较慢,随着反应的进行反应速率加快。当反应温度在25 ℃~50 ℃时,置换反应速率明显下降,可能是铜表面形成钝化膜所致。采用EDS和XRD分析表明,置换反应得到的产物是金铜合金而不是纯金。E.Guerra等[31]利用铜粉置换法回收硫代硫酸铵溶液中的金,考察了各反应因素对置换过程的影响,提高温度和氨浓度有利于金的沉积,而亚硫酸盐和铜离子的存在不利于置换反应进行。李永芳[29]对铜粉置换硫代硫酸盐浸金液中的金进行了单因素试验研究,在S2O2-3浓度为0.06 mol/L,氨浓度为0.1 mol/L,pH值为9.7,铜金质量比为200,温度为25 ℃,金质量浓度为10 mg/L的优化条件下,金沉淀率达到95 %以上。二价铜离子对置换反应有不利影响,可通过加入EDTA消除二价铜离子的负面影响,提高金还原率。

1.2 活性炭吸附法

活性炭吸附法起源于18世纪末,而后出现炭浆法、炭浸法,直至现在成为世界范围内氰化厂回收金的主流方法[32]。炭浸法是将活性炭颗粒直接加入氰化浸金的矿浆中进行逆流吸附;载金炭解吸后金进入溶液中,解吸后的活性炭经过活化后返回炭浸工序,解吸得到的解吸液可用锌粉置换法或电解法回收金。炭浸法可省去锌粉置换法所需的固液分离步骤,容易操作,且由于在浸出过程中不断吸附金,能够使液相中金氰络合离子浓度下降,从而起到助浸作用,可明显缩短氰化时间和提高金浸出率。典型的氰化炭浸法提金工艺流程如图1所示。

R.C.C.Santiago等[33]评价了不同添加剂对矿物煤和金矿石中含碳物质失活/钝化能力的影响,吸附试验表明,无烟煤吸附金氰络合物,烟煤和褐煤不吸附金氰络合物,加入合适添加剂可有效钝化矿物中的含碳物质。M.M.Salarirad等[34-35]评价了不同类型和不同浓度的浮选脱水剂对颗粒活性炭(GAC)吸附金动力学的影响,结果表明,浮选药剂组合对活性炭吸附金的动力学活性有较好的协同作用;研究了浮选脱水剂对活性炭氰化过程、载金量和吸附动力学的影响,结果表明,浮选药剂对氰化过程有不利影响,采用浮选药剂用量很大的药剂方案,严重阻碍了活性炭对金的吸附动力学。

C.Souza等[36]讨论了过量氰化物、钙离子和曝气条件对不同活性炭样品选择性吸附金、铜氰络合物的影响,结果表明,当溶液中氰化物过多时,Au/Cu的选择性较高,但活性炭样品上Au负载量下降,在溶液中添加Ca2+和控制最佳氰化物浓度可能有助于提高Au/Cu的选择性。Guillaume Blanchette等[37]评估了测量炭浓度、金含量时CIL罐取样相关误差,并分析了这些误差对Agnico-Eagle Mines Limited LAPA 选矿厂CIL罐中金含量估计的影响。H.Yu等[38]研究了水溶液中金硫代硫酸盐络合离子(Au(S2O3)3-2)在浸渍亚铁氰化铜(CuFC)的活性炭 (AC)上的吸附,结果表明,AC-CuFC对Au(S2O3)3-2有较强的吸附作用,吸附过程分两步进行:Au(S2O3)3-2 扩散到AC-CuFC表面,发生Au和Cu的离子交换反应,然后Au(Ⅰ) 可能被碳或Fe(CN)4-6还原为自然金。M.G.Aylmore等[39]考察了几种典型的氧化物、硫化物矿物和活性炭对硫代硫酸盐浸金液中金的影响。银的存在有利于铜/银/金混合硫化物的沉淀,针铁矿对Cu(Ⅱ)有较强的吸附作用,銅在矿物表面的吸附抑制了金和银的损失。

为改善活性炭对金的吸附性能,提高其吸附容量和选择性,很多研究者对活性炭进行改性,并用改性后的活性炭进行金的吸附试验。Yunlong Chen等[40]采用合成的富氮富硫活性炭(H-AC),通过吸附试验研究了H-AC对金的吸附性能,测得H-AC对金的吸附容量为25.8 kg/t。该研究提供了一种在无氰清洁硫代硫酸盐体系中利用活性炭回收金的新方法,对实现黄金的清洁生产具有重要意义。伍喜庆等[41]用硫脲、甲醛和氨水作为改性剂对普通活性炭进行了改性,并用改性后的活性炭吸附溶液中金,结果表明,活性炭经过改性后无论是吸附容量还是对金的吸附选择能力都有了巨大提升。N.Syna等[42]分别用物理(汽化)和化学方法对甘蔗渣进行活化改性,将改性后的甘蔗渣用于吸附硫脲浸金液中的金,结果表明,改性后的甘蔗渣能够有效吸附金。余洪[32]用氯化铜或硝酸银合成的类普鲁士蓝化合物改性活性炭,改性后的活性炭可较好吸附金硫代硫酸盐络合离子。

1.3 溶剂萃取法

溶剂萃取法是依据物质在2组不相溶溶剂中分配系数的不同,用一种溶剂把目标物质从另一种溶剂中分离出来的方法,对金具有良好萃取效果的常用萃取剂有伯胺、仲胺、叔胺、烷基亚磷酯等。溶剂萃取法具有设备简单、成本低、分离效果好、产品纯度高、自动化程度高等优点, 适合用来处理金浓度高的溶液。F.J.Alguacil等[43]用Cyanex921萃取剂从氰化物溶液中萃取金,考察了各个因素对萃取效果的影响,结果表明,氧化膦萃取剂能够从碱性氰化浸金液中有效地萃取金。Xiangjun Yang等[44]用季铵溴化十六烷基吡啶(CPB)萃取剂从碱性氰化物中萃取金氰络合离子,并用磷酸三丁酯作为改性剂,经过2次萃取后,金萃取率大于94.5 %,萃余液中金质量浓度小于0.5 mg/L。Liu Kejun等[45]以三辛基甲基氯化铵(TOMAC)为萃取剂, 在不调整酸碱度及其他因素的情况下,从硫代硫酸盐浸金液中萃取金,金萃取率可达99 %以上。

1.4 离子交换法

离子交换树脂是一类带有功能基的网状高分子化合物,大体上可分为阴离子交换树脂和阳离子交换树脂[46]。离子交换法提金和活性炭吸附法相似,包括吸附、解吸与回收等步骤。离子交换法具有工艺适应性强、吸附容量高、解吸简单、树脂再生简单易行等优点,特别适合处理含泥量大、碳质含量高的金矿石[47]。

Wanghuan Guo等[48]制备了一种低成本的纤维素基离子液体&羧甲基二乙基氨乙基纤维素(CMDEAEC),试验结果表明,CMDEAEC只对Au(Ⅲ)有选择性,是一种高效、廉价、易得、环境友好的吸附剂,有望用于金的选择性回收。Magdalena Pil ' s niak-Rabiega等[49]研究表明,含鸟嘌呤硫脲、1-甲基咪唑、2-巯基-1-甲基咪唑、二丙胺、1,2-二甲基咪唑和1-(3-氨基丙基)咪唑配体的功能树脂对氨水中的金(Ⅰ)和银(Ⅰ)有很高的选择性,不吸附铜(Ⅱ)氨络合物。

M.I.Jeffrey等[50]基于协同离子交换的概念,介绍了一种从树脂中回收硫代硫酸金的新解吸工艺。使用氯化物+亚硫酸盐体系,大部分金在解吸后易被反萃,可通过电沉积从浓缩解吸液中高效回收金。连续7级吸附微型闭环试验验证了新解吸工艺的可行性,且该树脂不需要再生就可以回收。Hongguang Zhang等[51]开展了强碱性阴离子交换树脂从碘化液中回收金的研究,当树脂没有大量负载三碘化合物时,碘化金配合物可有效负载在树脂上。使用含有亚硫酸盐的氯化钠基解吸液可实现金和碘的高效解吸。

Hironori Murakami等[52]采用商用多胺型阴离子交换树脂Diaion WA21J,实现了废旧LED溶液中金的选择性吸附。用硫脲对Diaion WA21J上的金进行定量解吸,用硼氢化钠还原金,从解吸液中得到了单质金。M.E.H.Ahamed等[53]以壳聚糖为骨架材料,制备了一种新型螯合离子印迹树脂——N-乙二胺(1-咪唑乙基)型壳聚糖,并将其应用于从复杂水溶液中选择性萃取氯化金(Ⅲ)。与Pb(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)相比,离子印迹聚合物对Au(Ⅲ)具有较高的选择性,吸附剂可用0.7 mol/L硫脲解吸再生。

1.5 電沉积法

电沉积法是在电流的作用下,使溶液中的金属离子还原成金属单质,在阴极上沉积出来的方法。电沉积法回收金具有生产效率高、金回收彻底、成本低等优点,特别适合处理金浓度高或者离子组成不复杂的含金溶液,在工业上已应用于从炭浆法、堆浸法活性炭解吸液中回收金。

C.Y.Yap等[54]采用静态间歇电化学反应器从氰化物溶液中回收金,对多孔石墨电极、网状玻璃碳(RVC)、不锈钢和铜板等不同阴极材料回收金的性能进行了系统性评价,结果表明,活性RVC是一种优良的阴极材料,具有很高的回收率,电沉积1 h即可回收99 %以上的金。M.Lekka等[55]开展了电沉积法从PCB(印制电路板)和电触头浸出后获得的水溶液中回收金的可行性研究。用王水作为浸出剂,对PCB和电触头零件进行机械和热处理后得到的粉末进行浸出;浸出液中存在的金属,只有铜能干扰金的沉积,这是由于氯化金配合物的还原峰与Cu2+的还原峰非常接近。提高电解液温度和搅拌速率可提高金沉积速率,在0.55 V电位下可电沉积出致密的高纯金纳米晶镀层。该研究论证了电沉积法从电路板和电触点的浸出液中回收金的可行性。Ivan Korolev等[56]介绍了一种采用电化学沉积—氧化还原置换(EDRR)循环从湿法冶金溶液中回收微量金的新方法。与传统的炭浸/树脂浸出或溶剂萃取相比,该电化学法不需要添加任何化学物质,通过调整工艺参数,可从浓缩的铜液中实现高选择性回收金。250次EDRR循环后,镀层中Au质量分数超过75 %,Au与Cu的比值由溶液中的1 ∶ 340提高到成品的3.3 ∶ 1,EDRR法可有效地从氯化铜溶液中回收痕量金。

2 结 语

1)置换法在工业上的应用较为普遍,其具有反应速度快、操作简单、流程短等优点,但不同浸金液体系成分复杂,贱金属含量高,需针对溶液体系特性采用不同金属还原。通过添加合适的表面活性剂降低固液两相间的界面张力,对固体反应物颗粒起到分散和表面润湿作用,从而促进固液两相间的反应,对降低生产成本、提高经济效益具有重要意义。

2)活性炭是CIP和CIL工业应用吸附金的主要吸附剂,其具有金回收率高、吸附速度快等优点,前人大多从金属形态的角度讨论金配合物的吸附机理,但溶液特性对吸附材料理化性质的影响研究较少,仍存在活性炭中毒和活化问题。不同体系改性活性炭载体对金的选择性吸附仍然是提金研究的重要方向。

3)溶剂萃取法具有操作简便、回收率高、产品纯度高等优点,但不适合处理金浓度低的溶液,多数溶剂对其他贱金属有共萃作用,因此开发对金选择性好的萃取剂是今后研究的重要方向。

4)离子交换树脂具有载金量高和机械强度大等优点,不易使有机物中毒,不需热再生,但成本比活性炭高。如何在改性聚合物中使用特定的配体来高效预富集贵金属离子,选择性去除金属离子还需进一步研究。

5)电沉积法具有生产效率高、成本低的优点,但不适合处理金浓度低的溶液,不能从含有不同金属的体系进行选择性电沉积,仍需在工业生产应用中进一步研究完善。

[参 考 文 献]

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Research progress of gold recovery from solutions

Zhang Lei1,2,Guo Xueyi1,2,Tian Qinghua1,2,Li Dong1,2,Zhong Shuiping3,Qin Hong1,2

( 1.School of Metallurgy and Environment,Central South University ;

2.Cleaner Metallurgical Engineering Research Center,China Nonferrous Metals Industry Association ;

3.Zijin Mining and Metallurgy Research Institute )

Abstract: Gold as an important financial reserve is also widely applied in industrial production,electronic communications,medicine and aerospace.Methods for gold recovery from solutions mainly include replacement,activated carbon adsorption,solvent extraction,ion exchange and electrodeposition.The paper summarized and analyzed the mechanism,advantages and disadvantages of each gold recovery method,focused on the description of the research progress of different methods at home and abroad,and discussed the research trends of gold recovery methods.

Keywords: gold;replacement;adsorption;ion exchange;electrodeposition;recovery

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