6.2 湿法冶金（铜 SX/EW）

溶剂萃取–电积（SX/EW）从氧化矿堆浸或低品位硫化矿生物浸出液中产出 LME A 级阴极铜。本节涵盖堆浸垫设计、萃取电路运行与电积槽房参数。

6.2.1 堆浸

6.2.1 堆浸

学习目标

• 设计氧化铜矿堆浸垫几何、防渗层与喷淋制度
• 确定破碎粒度、酸浓度与喷淋强度以达成目标 PLS 品位
• 比较氧化矿与生物辅助硫化矿堆的浸出周期
• 评估 PLS 池、萃余液平衡与堆体稳定性的环境控制

核心概念

参数与指标

公式

• 铜回收率：R = (Cu_{\mathrm{PLS}} \times V_{solution}) / (Cu_{\mathrm{in}}_{ore} \times M_{ore}) \times 100\%
• 喷淋体积：$V (L/d) = Application_{rate} \times Heap_{area} (m^{2}) \times Operating_{hours}$
• 酸加入量：$H_{2}SO_{4} (kg/d) = Acid_{conc} (g/L) \times V_{irrigation} (L/d) / 1000$
• 堆体孔隙率：$ε \approx 0.35-0.42$

工具与标准

• 常用工具：GoldSim、STUDIO 堆浸设计，滴灌（Netafim），防渗膜火花检测
• 相关标准：ASTM D5888（堆浸衬层）、GB/T 50869（有色金属矿山堆浸规范）

操作步骤

1. 矿石表征：氧化/硫化比、瓶滚酸耗、渗滤柱试验。
2. 备料：破碎至 < 25 mm；细粒需制粒（加酸、水泥）。
3. 建垫：压实基床；铺 1.5–2.0 mm HDPE 及 leak detection；加保护层。
4. 堆筑：分层堆置，每层底设收液管。
5. 接种（硫化矿）：加菌液，堆温 > 25°C，必要时强制曝气。
6. 喷淋：H₂SO₄ 8 g/L、10 L/(m²·h)、8 h/d；间歇防通道化。
7. 收集 PLS：入池沉降，2–8 g/L Cu 送萃取厂。
8. 监测：萃余液 pH、堆剖面取样、衬层检漏、地下水井。
9. 翻堆再浸：主周期结束后翻堆二次回收。

湿法炼铜全流程

知识延伸

堆浸成败取决于渗流均匀性而非单纯酸浓度。通道化使溶液绕过矿石，PLS 品位虚高但金属总量不足；降低喷淋强度、制粒与分层堆筑是工程上最有效的控制手段。铁在 pH > 2.5 时以 Fe(OH)₃ 沉淀堵塞堆体孔隙，萃余液酸平衡必须闭环管理。

闭坑后堆体若含残余硫化物，仍有产酸潜力（AMD），设计阶段应与 7.1.1 酸性矿山排水 一并评估。生物浸出低于 15°C 时动力学显著下降，高纬度项目需延长周期或保温措施。

数量级示例：50 万 m² 堆、10 h/d、10 L/(m²·h) 喷淋，日淋洗量约 5 万 m³；10 g/L H₂SO₄ 时日酸耗约 500 t 量级。PLS 4.5 g/L、萃余液 0.4 g/L 时，每 m³ 溶液净萃铜约 4.1 g。

常见误区

• 通道化未识别 → 表观 PLS 高、回收率低
• pH 过高 → Fe(OH)₃ 盲化堆体
• 衬层裸露上推土 → 刺破泄漏
• 低估脉石耗酸 → PLS 品位长期低于设计
• 寒冷气候未延长周期 → 生物浸出失效

关联章节

• 5.6.1 氰化浸出 — 金矿堆浸类比
• 6.2.2 溶剂萃取 — PLS 进 SX
• 7.1.1 AMD 预测与防治 — 闭坑产酸风险

自测要点

1. 50 万 m² 堆、8 m 高、10 L/(m²·h)、10 h/d、10 g/L 酸，估算日淋洗量与酸耗。
2. PLS 4.5 g/L、萃余液 0.4 g/L，每 m³ 溶液净萃铜多少？
3. 70% 氧化 / 30% 硫化混矿的浸出制度设计要点。

6.2.2 溶剂萃取（SX）

6.2.2 溶剂萃取（SX）

学习目标

• 按杂质谱选择萃取剂（Lix / Acorga）
• 设计多级逆流萃取、洗涤与反萃电路
• 控制有机相健康：crud、夹带、降解
• 平衡萃取与反萃段铜库存

核心概念

参数与指标

公式

• 萃取等温线：平衡 Cu_organic vs Cu_aqueous，McCabe-Thiele 定级数
• 铜转移量：$Cu (t/d) = Q_{\mathrm{PLS}} (m^{3}/d) \times \Delta Cu_{aqueous} (g/L) / 1000$
• 萃取剂库存：Organic_{volume} (m^{3}) = Plant_{\mathrm{Cu}}_{capacity} / (Loading \times Turnover_{rate})
• 夹带损失：$Organic_{loss} (ppm) = Entrained_{organic} / Aqueous_{flow}$ — 目标 < 100 ppm

工具与标准

• 常用工具：McCabe-Thiele 图、SX 模拟、crud 离心、相分性试验
• 相关标准：Solvay/BASF 萃取剂技术手册、GB 26451（铜冶炼废水排放标准）

操作步骤

1. 实验室 SX：建等温线，定级数与 O:A。
2. 投产：充有机 inventory，验证各级相连续。
3. 萃取运行：PLS 进一级，有机逆流，PLS pH 1.8–2.2。
4. 洗涤：pH 4–5 水洗除酸、Fe³⁺。
5. 反萃：高酸电解液接触负载有机，得 45–55 g/L Cu 反萃液。
6. 再生有机：返回萃取，维持萃取剂浓度。
7. 有机维护：月度酸洗、黏土处理 crud、更换降解萃取剂。
8. 损失控制：水相出口 coalescer，监测萃余液池中有机夹带。

SX 萃取-洗涤-反萃电路

知识延伸

SX 电路是湿法炼铜的分离瓶颈：萃取剂价格与夹带损失直接计入 C1 成本。Crud 多源于 PLS 中细粒黏土，过滤与黏土洗涤回路应作为标配而非事后补救。Fe³⁺进入反萃液会在 EW 中循环，降低电流效率并污染阴极；洗涤级设计不足是常见根因。

硝酸盐等氧化性杂质会降解肟类萃取剂，PLS bleed 或预处理是长期稳定运行的前提。相反转（O:A 或温度异常）产生乳浊层，需停槽重建界面——操作日志中应记录有机/水相流量与温度趋势以便早期预警。

数量级示例：PLS 5.0 g/L、3000 m³/d、 Raffinate 0.35 g/L，日萃铜约 $(5.0-0.35) \times 3000/1000 \approx 14 t/d$。

常见误区

• Crud 积累 → 须过滤与黏土处理
• PLS 硝酸盐高 → 萃取剂降解
• 洗涤不足 → Fe³⁺ 污染 EW 阴极
• 有机夹带入萃余液 → 萃取剂成本失控
• 相反转 → 错误 O:A 或温度

关联章节

• 6.2.1 堆浸 — PLS 质量
• 6.2.3 电积（EW） — 反萃液进 EW
• 6.1.3 电解精炼 — 阴极质量对比

自测要点

1. PLS 5.0 g/L、2 级 SX、萃余液 0.35 g/L、3000 m³/d，日萃铜量？
2. 简述 McCabe-Thiele 在 2 级萃取定级中的作用。
3. 萃余液有机夹带 250 ppm 时的管理措施。

6.2.3 电积（EW）

6.2.3 电积（EW）

学习目标

• 在目标电流密度下运行 EW 槽房，产出 LME A 级阴极
• 控制 Cl⁻、Fe、Co、Ni 等杂质对阴极形貌的影响
• 计算槽房产能与比电耗
• 比较 Pb-Ca-Sn 阳极与不锈钢阳极的性能与维护

核心概念

参数与指标

公式

• Faraday 产量：$Cu (kg) = I \times t \times M / (n \times F)$ — M = 63.55，n = 2
• 槽房产能：$Cu (t/a) = N_{cells} \times J \times A_{cathode} \times CE \times 8760 \times M / (n \times F \times 10⁶)$
• 比电耗：kWh/t Cu = (V_{cell} \times I \times 24) / (Cu_{\mathrm{daily}}_{kg} \times CE \times 1000)
• 酸平衡：$\Delta H_{2}SO_{4} = Cu_{deposited} \times 98 / 63.55$

工具与标准

• 常用设备：自动剥片机、整流器（50–100 kA DC）、酸雾除沫器
• 相关标准：BS EN 1978（A 级阴极）、LME 合格交割、GB/T 467（阴极铜）

操作步骤

1. 接收反萃液：50 g/L Cu、180 g/L H₂SO₄；过滤至 < 5 μm。
2. 装槽：SS 阴极与 Pb-Ag 阳极交替，极距 38 mm。
3. 通电：4 h 内 ramp 至 300 A/m²，槽压稳定约 2.0 V。
4. 杂质控制：Fe > 3 g/L 或 Co > 0.05 g/L 时 bleed；微量 HCl 改善沉积。
5. 监测 CE： weekly 称重阴极 vs Faraday 预测。
6. 剥阴极：7 天周期，自动剥片、捆扎、LME 化验。
7. 酸平衡：多余酸返 SX 反萃或中和，维持 170–190 g/L。
8. 阳极维护：年度轮换，清理槽底泥。

火法 vs 湿法阴极路线对比

知识延伸

EW 相对火法精炼路线的优势在于资本强度与碳排放（无 SO₂ 制酸链），但完全依赖 SX 稳定供液与廉价电力。电流效率每降 1%，等效电耗约增 1%——Fe³⁺/Fe²⁺在阴阳极间循环是常见隐性耗电流途径，电解液 bleed 是必要成本而非可选优化。

Cl⁻ > 50 mg/L 时 SS 阴极点蚀，往往来自 SX 夹带或工艺水污染。停电时间过长阴极可反溶，大型矿山应配置整流器 backup。酸雾职业暴露需除雾 mesh 与通风，符合 GBZ 2.1 工作场所限值。

数量级示例：200 槽、3.2 m²/槽、300 A/m²、CE 95%，日产约 5.2 t，年约 1890 t；比电耗约 1850 kWh/t Cu（V = 2.0 V）。

常见误区

• Cl⁻ 过高 → 阴极点蚀
• Fe³⁺ 循环 → CE 下降
• 电流密度过高 → 粉末阴极，LME 不合格
• 酸雾通风不足 → 职业健康违规
• 长时间停电 → 阴极反溶

关联章节

• 6.2.2 溶剂萃取 — 反萃液供应
• 6.1.3 电解精炼 — 火法阴极路线
• 9.1.2 C1/C2/C3 — EW 相对火法成本优势

自测要点

1. 150 槽、2.8 m²、320 A/m²、CE 93%，年 Cu 产量？
2. 槽压由 2.0 V 升至 2.4 V 的三项原因与对策。
3. EW 与火法精炼–电解路线在能源结构上的差异。