废旧金刚石工具中有价金属湿法分离理论及工艺研究

发布时间：2020-05-20 08:35

【摘要】：随着社会快速发展,金刚石工具作为一种高效切割工具用量越来越大,使用过程中产生大量废料,给环境保护和资源回收带来了极大的压力。金刚石工具含有大量的金刚石颗粒和Cu,Zn及Fe等有价金属,开展有关废旧金刚石工具回收处理技术的研究意义深远。废旧金刚石工具回收研究在国内起步较晚,现有的处理方法大多数都是在强酸、强氧化剂体系中进行,主要存在金属回收率低、环境污染严重、设备腐蚀严重和处理成本高等缺点,所以,根据国家产业发展规划、节能降耗和环境保护等政策的要求,提出本课题研究。为了实现废旧金刚石工具中有价金属初步分离、减少环境污染、提高金属回收率目的,提出了采用氨水-硫酸铵-空气体系一段浸出(简称“一段浸出”)和硫酸/碱熔-水浸/硫酸-双氧水三段浸出(简称“三段浸出”)两种不同工艺处理废旧金刚石工具,一段浸出工艺有效分离了废旧金刚石工具易溶金属Cu、Zn与难溶金属Fe、Sn;三段浸出工艺为联合分离工艺,即先对Fe、Zn进行分离,然后对Sn的分离,最后对Cu进行分离。论文的主要研究内容与结论如下:首先将废旧金刚石工具粗破碎,分析废旧金刚石工具组成,确定其资源特性。绘制了一段浸出体系Cu、Zn、Fe的E-p H图和lg[Me]_T-pH图以及三段浸出体系Cu、Zn、Fe、Sn的E-pH图,并对金属浸出过程进行了热力学分析。结果表明在合适的pH值和电位范围内,一段浸出体系中,Cu和Zn可与氨在通入空气的条件下形成络合离子而选择性地浸出,氨浓度的增大会促进金属浸出;三段浸出体系中,Fe、Zn首先可用酸浸出,从而与Cu、Sn分离,酸浓度的增大会促进金属浸出。研究了废旧金刚石工具的一段浸出过程,确定了较佳的浸出工艺条件。浸出温度为45°C,浸出时间为3h,液固比为50mL/g,搅拌速度为200rpm,氨与硫酸铵的浓度分别为4.0mol/L和1.0mol/L,空气流量为0.2L/min,在此实验条件下,Cu与Zn的浸出率分别为65%和70%。通过动力学分析可知该体系浸出Cu过程受混合反应控制,低于35°C时,活化能为109.50kJ/mol,Cu浸出过程受表面化学反应控制;高于35°C时,扩散活化能较小为38.33k J/mol,Cu浸出过程受扩散控制。研究了废旧金刚石工具的三段浸出过程,确定了较为适宜的浸出工艺条件。第一步采用3.0mol/L硫酸作为浸出剂,Cu,Fe和Zn的浸出率分别为0.343%,95.13%和76.48%;第二步采用碱熔-水浸提取Sn,在最佳反应条件下,进行了三次重复实验,Sn的浸出率均维持在91%左右;第三步采用硫酸-双氧水为浸出剂,Cu的浸出率为92.55%,同时进行了五因素四水平正交优选实验,得因素主次顺序为硫酸浓度液固比浸出时间双氧水量反应温度,最佳实验方案为:A_4B_4C_2D_1E_4,即硫酸浓度为3mol/L,浸出时间为3h,反应温度40°C,液固比为5:1,双氧水用量为20ml,其实验结果与单因素实验结果趋势比较吻合。一段浸出及三段浸出的第三步浸出工艺都涉及到氧化浸出过程。一段浸出空气中的氧通过压缩机鼓入,在溶液中浓度低,不易与金属表面接触,容易以大气泡形式浮到溶液表面,导致空气氧化效率低,Cu与Zn的浸出率不高。虽然三段浸出的第三步浸出工艺采用双氧水,Cu的浸出率较高,但是双氧水价格昂贵,且易残留,对后续处理不利,因此本研究开发了一种微泡空气氧化反应器,用以提高氧在溶液中与固体反应物的接触几率,提高浸出率。采用流体力学软件Fluent模拟了微泡空气氧化反应器核心部件文丘里喷射泵的结构参数如入口半锥角,出口半锥角,喉管总长度以及喉管内径对流场内壁压力的影响,得出了产生最大负压的参数:入口半锥度为10°,出口半锥度为10°,喉管长度L为140mm,喉管直径d为6mm。依据该优化参数,制备了文丘里喷射管,组装了微泡氧化反应器,探索了微泡空气氧化法强化氨性浸出Cu工业小试研究,得出了最佳浸出条件:反应时间为6h,反应温度为40℃,此条件下Cu的浸出率为95.34%。因其速度快、效率高,有望成为一种高效氧化浸出的替代设备。通过对一段和三段浸出比较,三段浸出工艺具有明显优势,金属分离彻底,回收率高,Cu,Fe与Sn的回收率达90%以上,Zn的回收率接近80%,且后续从浸出液提取金属产物容易。
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金刚石工具

武汉科技大学博士学位论文第 2 章实验原料及研究方法分刚石工具来源石工具是由切割材料、胎体材料及结合剂组成。受金刚石家和生产年代影响，各种废旧金刚石中金属尤其铜含量都的原料要采取不同的处理方法。本试验样品取自于山东所示,颜色呈黄棕色和褐色，，褐色部分为铁锈,取极稀的铁锈然后烘干。首先锤子锤击，尽量使骨架散架，然后小长条状，将样品置于干燥器内备用。

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体发射光谱仪原理及使用方法参阅本文献[79]。公司生产的 ICP2000 型电感耦合等离子体发射，化学干扰少，准确度高。谱仪（FT-IR）谱仪原理及使用方法参阅本文献[80]。本研变换红外光谱仪对废旧金刚石官能团和分子结工具破碎后组织分析经破碎、筛分，用扫描电镜观察显微结构和面看出，金刚石刀具中主要含有金刚石、Fe、Cu纤维，黑色块状物为金属，金刚石主要以嵌入常致密，结合紧密，不利于破碎和分离。
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF111.3

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