針鐵礦法

沉澱法是重要的濕法除鐵方法之一，而針鐵礦法是其中一種有效的除鐵方法。該法由比利時老山公司最先研發成功，1970年即開始工業化套用。針鐵礦法的優點是在常壓和較低溫度下套用，工藝設備簡單，除鐵成本較低；鐵沉降物呈結晶態，過濾性能良好；沉澱渣較少且渣中含鐵高，經適當處理可作為煉鐵原料。

基本介紹

• 中文名：針鐵礦法
• 外文名：goethite method
• 領域：濕法冶金
• 作用：除鐵

基本概念

在濕法冶金中，通常使用酸性溶液浸礦石，浸出液中含有三價或二價鐵離子，在後續工藝中和電沉積過程中鐵會產生較大危害，因此，除鐵是濕法冶金過程中非常重要的一道工序，從高鐵溶液中除鐵的方法很多，主要要有黃鉀鐵礬法、針鐵礦法、赤鐵礦法。針鐵礦法的優點是在常壓和較低溫度下套用，工藝設備簡單，除鐵成本較低；鐵沉降物呈結晶態，過濾性能良好；沉澱渣較少且渣中含鐵高，經適當處理可作為煉鐵原料。多年來，針鐵礦法除鐵已得到廣泛研究及套用。

針鐵礦的形成和除鐵原理

針鐵礦是含水氧化鐵的主要礦物之一，一般稱為α 型一水氧化鐵，其組成為α－Fe₂O_3·H₂O或 α－FeOOH。針鐵礦法除鐵是使溶液中的Fe³⁺形成與天然針鐵礦在結晶和化學成分上相同的化合物沉澱，反應式為：

Fe³⁺+2H₂O——FeOOH+3H⁺

在酸度不高、溫度不高於140℃ 條件下，根據熱力學數據，Fe³⁺的水解產物應是針鐵礦而不是膠狀氫氧化鐵，但當溶液中pH較大、同時Fe³⁺濃度較高時，水解產物大多是或都是不易過濾的膠狀氫氧化鐵。因此，為了避免在針鐵礦法除鐵過程中產生膠體Fe(OH)₃，必須嚴格控制溶液的pH和Fe³⁺濃度。

實際上，針鐵礦法除鐵主要是兩條途徑，即部分水解法和還原－氧化法。

部分水解法是將含Fe³⁺ 的溶液緩慢而均勻地加入到具備水解條件的溶液中，加入速度要不大於Fe³⁺的水解速度，使鐵以針鐵礦形成沉澱。

還原－氧化法則是先將Fe³⁺還原成Fe²⁺，然後在水解條件下再將Fe²⁺緩慢氧化為Fe³⁺，為了控制溶液中 Fe³⁺的濃度，氧化速度不能大於其水解速度。實際反應為：

Fe²⁺+1/2O₂+3H₂O——2FeOOH+4H⁺

由於針鐵礦沉澱形成的同時伴隨著酸度的提高，因而無論是部分水解法還是還原－氧化法，都必須加入鹼性物質中和，以控制pH的變化。

針鐵礦法在濕法冶金中的套用

在濕法煉鋅中的套用

在濕法煉鋅工藝中，鋅的浸出常採用二段浸出法，即一段中性浸出和一段酸性浸出。鋅焙砂中約有10%的鋅呈鐵酸鋅形式存在，中性浸出很難將其溶解，所以中性浸出渣需用熱酸再次浸出，將鐵酸鋅溶解。鋅浸出的同時，大量鐵也進入到浸出液中。

比利時老山公司於20世紀60年代末研發出熱酸浸出液中針鐵礦法除鐵工藝，隨後用於工業生產。該法先用過量15%-20% 的閃鋅礦將浸出液中的Fe³⁺還原為Fe²⁺，再用空氣將Fe²⁺緩慢氧化為Fe³⁺，使鐵以針鐵礦沉澱形式除去。為保證針鐵礦的形成反應順利進行，溶液控制條件為Fe³⁺質量濃度不大於1g/L，溫度80-90℃ ，pH 2-3，用鋅焙砂作中和劑調節溶液pH。

在濕法煉銅中的套用

浸出—萃取—電積工藝是目前濕法煉銅的主要工藝。通常浸出液中銅質量濃度較低，鐵是其中的主要雜質。銅溶液中的銅鐵分離及銅的富集可用溶劑萃取法實現。萃取銅時，鐵的存在對萃取劑的選擇性和銅的萃取速率有較大影響。鐵在電解液中積累也會降低銅電積時的電流效率。

吳鐘德等採用二次逆流浸出方式處理氧化銅礦，通過分析空氣氧化低價鐵的反應機制、動力學及針鐵礦形成機制，將浸出液pH控制在3.5-4.0範圍內， 經過空氣氧化形成針鐵礦， 浸出液中鐵質量濃度從12.57g/L降低到0.45g/L。

在濕法煉鈷鎳中的套用

在鎳鈷濕法生產過程中， 必須包括去除雜質工序。

Chang等研究了採用針鐵礦沉澱法從鎳紅土礦酸性浸出液中除鐵。由於鎳紅土礦在浸出前進行了還原預處理，浸出液中的鐵以亞鐵離子形式存在，除鐵時，以二價銅離子為催 化 劑，空氣為氧化劑，先將Fe³⁺氧化成Fe³⁺，然後在95℃ 、pH<6條件下，Fe³⁺以針鐵礦形式沉澱去除，浸出液中鐵質量濃度從14.09g/L 降至1.0g/L以下。溶液pH用碳酸鎂控制。研究還指出，pH對二價鐵氧化速率和鎳在鐵渣中的損失有顯著影響， 提高pH可提高二價鐵的氧化速率，但會導致鎳有更多損失。

在濕法煉錳中的套用

採用濕法冶金工藝處理錳礦時，一般用酸作為浸出劑。在酸浸過程中，賦存於礦石中的鐵也隨錳一起進入浸出液，進一步製取電解錳和錳化合物時，須進行除鐵。

佘宗華等在用兩礦法（褐錳礦加黃鐵礦）從硫酸浸出液中淨化除鐵時，分別研究了鐵礬法、鹼直接中和水解法和針鐵礦法，結果表明，以針鐵礦法除鐵效果最好，該法產生的渣量少、易過濾， 錳回收率高，錳損耗僅0.71%，除鐵率大於99%。

在其他濕法冶金過程中的套用

金屬二次資源及冶煉渣的濕法處理過程也常採用針鐵礦法分離和去除鐵。