镍被视为国民经济建设的重要战略物质，广泛应用于国防、通讯、电子、原子能和化学工业以及远距离控制等高新技术行业，其主要用来制造不锈钢和其他抗腐蚀合金，如镍钢、铬镍钢及各种有色金属合金。镍矿资源是一次性资源，并且自然界存在的镍矿中镍的质量分数往往很低，随着不断的开采，镍矿资源日益枯竭。镍磷铁是钙镁磷肥副产的一种含镍的磷铁，其镍的质量分数比红土镍矿中镍的质量分数还高，具有很高的利用价值。通过将镍磷铁中的镍经过溶解、分离、富集，得到纯度较高的镍化合物。
镍磷铁中质量分数最多的是铁元素，约为60% ，其次是磷元素，约为 15% ，镍的质量分数在1. 5% ～ 2. 5% 。常温下镍磷铁性质稳定，可在空气中长期稳定存在。为了从镍磷铁中更好的浸出镍，以硫酸为浸出剂，在常压下用正交试验探究最佳浸出条件。
1 实验部分
1. 1 实验试剂及仪器
原料: 镍磷铁取自贵州的钙镁磷肥厂，银褐色略偏黑，坚硬且偏脆，带金属光泽，具有一定铁磁性。过筛 160 目。镍质量分数为 1. 75%。实验试剂: 浓硫酸、浓氨水、30%过氧化氢、蒸馏水、硫化钠、无水碳酸钠、邻二氮菲等化学试剂均为分析纯。实验仪器: 四通道磁力搅拌器; PHs －2C 数字式酸度计; 循环水多用真空泵; 电热恒温鼓风干燥箱。
1. 2 实验过程
取一定质量过筛 160 目的镍磷铁，用 40% 的H2SO4按固液质量比 1∶ 10，反应温度为 80℃，搅拌速度为 900 r/min 的条件下，加入少量 30% 的 H2O2反应 12 h。得到镍磷铁浸出液，滤液加入 30%H2O2至溶液无 Fe2 +; 滤渣破碎后用适量热水洗涤，并置于烧杯中加热煮沸，趁热过滤，将滤液加热浓缩，搅拌冷却结晶可得到 FeSO4粗产品; 溶液中缓慢加入氨水并不断搅拌，至溶液 pH≈6 时，Fe3 +基本沉淀完全，达到除铁效果，过滤后得到氢氧化铁粗产品，再向滤液中缓慢加入稍过量的 Na2S 溶液，控制溶液温度大于 50℃，并不断搅拌，析出 NiS 黑色沉淀，静置几分钟后，过滤溶液可得到最终产品硫化镍固体。提镍流程如图 1 所示。【图1】
1. 3 浸镍实验方案
1. 3. 1 酸法浸镍
镍磷铁的溶解可通过火法和湿法进行处理。由于火法富集炼制镍磷铁能耗高，因此湿法提取镍日趋得到重视。湿法又有碱法和酸法处理等工艺，碱法工艺可获得较高的浸出率，但大多需还原等预处理和高温加压设备。由于酸法工艺比较容易在实验室进行，也可获得高的浸出率，笔者采用酸法工艺，用不同质量分数的硫酸作为浸出剂，用正交试验的方法探究最佳影响因素。
1. 3. 2 正交试验
影响 Ni 浸出率的因素主要有酸的质量分数、固液比、浸出时间、温度、搅拌速度、样品细度等。浸矿细度对镍浸出率影响的试验结果表明，浸出物料细度越细，浸出液中的镍质量分数越高，对应浸出率也越大，但过小的物料细度意味着磨矿时间相应要长，这将导致处理能力变小，综合考虑各方面因素，确定磨矿细度为 160 目; 考虑到搅拌速度的局限性，选取搅拌速度为 900 r/min。经全面考虑，最后确定酸的质量分数 ω、固液质量比、温度、浸出时间为试验的4 个试验因素，分别记作 A、B、C 和 D，每个因素均取4 个水平的正交试验。因素水平如表 1 所示。【表1】
2 实验结果与分析
2. 1 正交试验设计与现象
试验为 4 因素 4 水平，不考虑交互作用，4 因素共占 4 列，选 L16( 45) 最合适，并有 1 空列，可以作为试验误差以衡量试验的可靠性。不考察交互作用，各列的因素任意放置。正交试验设计方案如表 2所示。【表2】
2. 2 正交试验结果与分析
用丁二酮肟质量法测定每个浸液中的镍的质量分数，再除以原料中镍的质量分数，即为每次试验镍的浸出率。正交试验结果与分析见表 3。【表3】
由表 3 可知，硫酸质量分数、固液质量比、反应温度和反应时间对 Ni 浸出率均有影响，影响强度按大到小依次为: 反应温度 ＞ 固液质量比 ＞ 硫酸质量分数 ＞ 反应时间。即反应温度对浸出率的影响最大，其次是固液质量比，再次是硫酸质量分数，影响最小的是浸出时间。极差分析最佳的浸出条件为A4B4C4D3，即硫酸质量分数为 40%，固液质量比为1∶ 10，反应温度为 80℃ ，浸出时间为 8 h，在此条件下镍的浸出率可达到 75. 0%。
在固液反应中，由于化学反应的消耗，在与固体表面相连的溶液边界层中酸的浓度降低，产生浓度梯度，酸由溶液本体经边界层向固体表面层扩散。
若浸出反应速度由化学反应速度控制，固体颗粒表面积相近，则温度是影响反应速度的主要因素，温度变化影响化学反应速率常数的变化，最终使浸出速度发生变化，即在搅拌速度固定条件下，温度变化的影响力要大于固液质量比和酸质量分数的影响力，这与正交试验结果相吻合。运用正交试验的最优组合参数进行验证实验，得到镍的浸出率与最优组合相近。
2. 3 浸出工艺的进一步优化
通过正交试验数据分析，浸出率随浸出时间的延长而增大。其他条件不变，延长浸出时间至12 h，镍的浸出率达到 91. 0%。继续延长浸出时间，浸出率提高不大，而且不经济。即硫酸质量分数为40% ，固液质量比为 1∶ 10，反应温度为 80℃ ，浸出时间为 12 h 条件下，镍的浸出率显着提高。同时，原料中 的 磷 也 伴 随 镍 被 浸 出，磷 的 浸 出 率 达 到85. 9% 。即镍和磷 2 种重要元素都被有效浸出。优化后镍、磷的浸出效果如表 4 所示。【表4】
由表4 可以看出，浸出时间延长至12 h，镍的浸出率超过 90%，磷的浸出率超过 85%，浸出率得到大幅度提高，即正交试验得到进一步优化，提高了镍磷铁中镍磷的回收率。
3 制备硫化镍
浸取液中逐渐滴加氨水，析出硫酸铁，用氨水中和至 pH≈6. 0 除净铁后，在溶液温度大于 50℃，加入稍过量的 Na2S 溶液，析出 NiS 黑色沉淀。静置几分钟后，过滤溶液至得到硫化镍固体。
4 结论
( 1) 常压下用硫酸浸出镍磷铁的技术条件为:镍磷铁过筛 160 目，搅拌速度为 900 r/min. 在硫酸质量分数为 40%( ≈5 mol/L) ，固液质量比为 1∶ 10，反应温度为 80℃，反应时间为 12 h，得到镍的浸出率为 91. 0%，磷的浸出率为 85. 9%，取得了较好的浸出指标。
( 2) 用优化后的条件浸出镍磷铁，得到镍的浸出率为 91%，在浸出液中加入氨水至 pH≈6，除净铁后，再加入硫化钠制备硫化镍，可得到含镍量较高的硫化镍。
参考文献
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